1. Introdução à impressão 3D em metal e ao controlo de tensões residuais

A tecnologia de impressão 3D em metal registou um rápido desenvolvimento nos últimos anos e é agora amplamente utilizada em indústrias críticas como a aeroespacial, o fabrico automóvel e os dispositivos médicos. As suas principais vantagens incluem a conceção de peças leves e a produção personalizada, abordando as limitações dos métodos de fabrico tradicionais. No entanto, várias questões-chave no processo de impressão 3D podem afetar a qualidade da peça final, especialmente a tensão residual, o posicionamento da peça, a conceção da estrutura de suporte e a otimização da peça. Este artigo explora o mecanismo de geração de tensão residual na impressão 3D de metal e as estratégias de controlo correspondentes.

2. Mecanismo de geração de tensões residuais

A tensão residual é um subproduto inevitável do rápido aquecimento e arrefecimento que ocorre durante a impressão 3D de metal, particularmente em processos como a Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Cada nova camada de material é construída da seguinte forma: o laser focado move-se sobre o leito de pó, derretendo a camada superficial e criando uma ligação metalúrgica com a camada subjacente. O calor da poça de fusão é rapidamente conduzido para o metal sólido abaixo, fazendo com que o metal fundido arrefeça e solidifique numa questão de microssegundos.

Durante este processo, a camada metálica recém-formada sofre uma contração à medida que arrefece e solidifica. No entanto, esta contração é limitada pela estrutura sólida subjacente, conduzindo a tensões de corte significativas entre camadas. Especificamente, quando o laser funde o metal no topo de um substrato sólido, a fusão contínua e a condução de calor provocam a contração do metal em arrefecimento, o que gera tensões de corte entre a nova camada de metal e a camada subjacente.

3. Consequências do stress residual

As tensões residuais podem ter efeitos destrutivos na qualidade das peças impressas. À medida que o número de camadas aumenta, as tensões acumulam-se e podem levar aos seguintes problemas:

• Deformação da peça: A acumulação de tensões pode provocar deformações nos bordos da peça, o que pode levar à falha da estrutura de suporte.
• Separação da placa de base: Se a peça tiver uma grande área de contacto com a placa de base, os bordos da peça podem soltar-se da base.
• Fissuras estruturais: Quando a tensão excede os limites de resistência do material, podem ocorrer fissuras catastróficas ou deformações do componente ou da placa de base.

Estes problemas são particularmente notórios em peças com secções transversais grandes, uma vez que a interface maior aumenta a distância sobre a qual actuam as tensões de corte, intensificando a deformação da peça ou da placa de base.

4. Estratégias de controlo das tensões residuais

1. Otimização estrutural no projeto

A tensão residual deve ser considerada durante a fase de conceção do produto para minimizar a acumulação de tensão. As optimizações de conceção incluem:

• Utilização de estruturas de apoio racionais: Assegurar que as estruturas de apoio estão estrategicamente colocadas para equilibrar o stress.
• Otimização da orientação da peça: Ajustar a orientação da peça para reduzir a concentração de tensões durante a impressão.
• Evitar alterações súbitas da secção transversal: Conceber peças com alterações graduais na secção transversal para evitar a concentração de tensões.

2. Otimização dos parâmetros do processo

• Escolha da espessura do substrato: A seleção da espessura adequada do material de base pode reduzir a acumulação de tensões.
• Pré-aquecimento do substrato: Pré-aquecimento do substrato, por exemplo, utilizando uma temperatura de pré-aquecimento de 80°C ao imprimir aço inoxidável 316L, pode reduzir os gradientes térmicos e o stress.
• Controlo preciso da espessura da camada e dos parâmetros do laser: O controlo cuidadoso destes parâmetros garante uma fusão e solidificação uniformes, reduzindo as tensões residuais.

3. Estratégias de digitalização melhoradas

Para reduzir a tensão residual durante a sinterização a laser, a otimização do percurso de varrimento do laser e a forma como o pó metálico é preenchido podem ajudar a distribuir a tensão de forma mais uniforme. As estratégias incluem:

• Utilização da estratégia de digitalização por zonas: Dividir a área de trabalho em secções para minimizar os gradientes térmicos.
• Implementação do modo de varrimento rotativo: Rodar o padrão de varrimento para reduzir os efeitos de aquecimento e arrefecimento localizados.
• Otimização do comprimento e da direção do vetor de varrimento: Ajustar o comprimento e a direção do percurso de varrimento para distribuir o calor de forma mais uniforme pela peça.

5. Solução de controlo de tensões residuais da Greenstone-Tech

Através da investigação sistemática de processos e da otimização de parâmetros, a Greenstone-Tech desenvolveu uma solução abrangente de controlo de tensões residuais. Esta solução melhora a estabilidade dimensional e a qualidade geral das peças metálicas impressas em 3D, oferecendo soluções de fabrico aditivo mais fiáveis aos nossos clientes.