Em todo o Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), as equipes estão lidando com diferentes problemas científicos associados à manufatura aditiva, muitas vezes referida como impressão 3-D, para avançar nossa compreensão do processo que pode revolucionar a manufatura.

Na Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS), um DOE Office of Science User Facility, uma equipe liderada pelo físico da APS Tao Sun e o professor da Universidade de Ciência e Tecnologia de Missouri Lianyi Chen concluiu recentemente um estudo que identifica maneiras possíveis de reduzir os respingos de pó, "o que pode resultar em defeitos no produto acabado. Essas informações podem ajudar as empresas em todos os setores, do aeroespacial para a defesa, instrumentos médicos para automóveis.

Na manufatura aditiva, fabricantes usam lasers para aquecer metais, pós plásticos e cerâmicos. Esses pós aquecidos são então espalhados em camadas muito finas, uma camada de cada vez, em uma placa de construção - resultando em produtos acabados personalizados, feito sob demanda. Este processo é chamado de "fusão de leito de pó a laser, "ou LPBF.

Os desenvolvedores usaram essa tecnologia para criar componentes para aviões, automóveis e até implantes médicos, como maxilares artificiais. Os engenheiros estão usando titânio e outras ligas de metal para melhorar a eficiência da produção, reduzir os custos dos produtos e simplificar as cadeias de abastecimento. Não há limite para os usos possíveis, dependendo apenas da visão dos designers.

No entanto, esse processo continua falho. Os lasers intensos que atingem os pós frequentemente fazem com que os pós espirrem, borrifar ou respingar, resultando em defeitos nos produtos ou problemas de controle de qualidade. Além disso, isso pode criar outros problemas quando os engenheiros procuram reutilizar sobras de pó, pois o pó espalhado tende a contaminar o resto. Os engenheiros muitas vezes precisam consertar peças acabadas, ou revisar e repetir o processo de impressão.

O fenômeno é difícil de medir com ferramentas convencionais. Nem pode ser bem previsto por modelagem ou simulação, e, portanto, a dinâmica detalhada dos respingos de pó ainda não é totalmente compreendida.

Ao usar os raios-X extremamente brilhantes no APS, a equipe foi capaz de observar a dinâmica desse movimento do pó, medir a velocidade e aceleração do pó. A partir desses experimentos, a equipe criou um diagrama ilustrando a dinâmica e forneceu maneiras possíveis de reduzir os respingos.

Ao capturar 50, 000 quadros por segundo, os pesquisadores foram capazes de sondar e quantificar a dinâmica do movimento do pó em função do tempo, pressão ambiental e localização sob uma ampla faixa de temperaturas - de 80 a mais de 4, 940 graus Fahrenheit - que ocorrem no LPBF. A equipe também observou a força motriz do movimento causada pela pluma de vapor do metal aquecido e o fluxo resultante de gás argônio.

"Estamos tentando entender a magnitude da ejeção do pó, "Disse Sun." Nosso trabalho está fornecendo pistas sobre como mitigá-lo. No fim, na tentativa de obter produtos melhores, precisamos de modelagem. Esses modelos contam com dados experimentais para validá-los. Usando tecnologias de raios-X podemos visualizar o processo e validar o modelo. Ninguém desenvolveu modelos precisos para prever os movimentos do pó ainda porque o processo é muito complexo e não pode ser medido diretamente. "

A equipe de pesquisa identificou três maneiras de mitigar potencialmente os respingos de pó:pré-sinterização - aquecimento para se preparar para compactar os pós por meio de temperatura ou pressão - a uma temperatura relativamente mais baixa, antes de iniciar o processo principal de sinterização (compactação ou conformação); reduzindo a espessura do leito de pó; e ajustar a pressão no leito de pó para equilibrar os respingos quentes (que aumentam com mais pressão) e os respingos totais (que diminuem com mais pressão).

A equipe encontrou evidências de que poros induzidos por respingos causaram defeitos em uma amostra construída com uma camada mais espessa de pó, enquanto tais defeitos raramente foram encontrados em uma amostra com uma camada mais fina. Os pesquisadores confiaram em teorias baseadas na física para identificar a sinterização e ajustar a pressão como ferramentas potenciais de mitigação.

A equipe usou o mecanismo de contraste em imagens de raios-X para capturar as trajetórias de toda pólvora voadora em um vídeo, apesar da variação extrema de temperatura. Com imagens térmicas e de luz visível, os cientistas devem usar filtros e tempos de exposição diferentes para ver partículas com temperaturas dramaticamente diferentes.

"Pela primeira vez, podemos estudar quantitativamente a dinâmica transitória da fusão do pó e do comportamento de respingos com alta resolução espacial e temporal para todos os pós ao mesmo tempo, incluindo quente, pós frios e escondidos, "disse Chen, que é um co-autor correspondente com a Sun do artigo "Dinâmica transitória de respingos de pó em processo de fabricação aditiva de fusão de leito de pó a laser revelado por imagens de raios-X de alta velocidade e alta energia in-situ, "publicado na Acta Materialia em 26 de março.

"Este estudo é útil para a comunidade de impressão 3-D para superar uma grande barreira para fazer peças com menos defeitos, "disse Chen.

As indústrias aeroespacial e de defesa estão especialmente interessadas nas descobertas por causa das peças complicadas de que precisam.

"As indústrias aeroespacial e de defesa usam a impressão 3-D para fabricar ferramentas, estruturas leves e componentes funcionais com geometrias complexas, "disse Wes Everhart, um co-autor do artigo, do Campus de Segurança Nacional de Kansas City do DOE. "A indústria automotiva está apenas começando a usá-lo para fabricar componentes complexos."

"Isso é importante porque fornece pistas sobre como mitigar os respingos, "Disse Chen." Ninguém desenvolveu modelos confiáveis ​​ainda porque a manufatura aditiva é muito complexa e não pode ser medida diretamente. Isso nos deixa mais perto de perceber todo o potencial da impressão 3-D. "