Novo processo de impressão 3D melhora a velocidade e confiabilidade da produção

A impressão em 3D é uma das tecnologias de produção de maior sucesso da atualidade. No âmbito de um projeto da UE, a Siemens desenvolveu uma solução que possibilita a utilização de um processo de impressão de alta velocidade conhecido como deposição de metais a laser de forma mais eficaz do que era anteriormente possível. Esta solução está abrindo a porta para uma gama crescente de aplicações de impressão 3D.

 

por Hubertus Breuer

Em um laboratório da Siemens Tecnologia Corporativa (CT) em Munique, Daniel Regulin está olhando através de óculos de proteção para um feixe de laser que se move por uma carcaça semi-acabada do motor industrial no meio de uma chuva de faíscas. O raio laser está fundindo um pó metálico que está sendo soprado para dentro dele por um fluxo de gás emitido por um bico. O pó fundido está formando um componente metálico, camada por camada, em um processo conhecido como "deposição de metal a laser" (LMD) ou solda por deposição a laser. Uma máquina move o raio laser a velocidades variáveis, às vezes muito lentamente e outras vezes mais rápido. "Desta forma, suavizamos os locais irregulares para que possamos produzir uma peça que esteja o mais próximo possível da perfeição", diz Regulin, explicando como a máquina funciona. "Isso nos ajudará a fazer uso crescente do LMD em processos de produção industrial automatizada.

Peças de construção a partir de pó

Regulin, um dos milhares de engenheiros, matemáticos e desenvolvedores de software da CT que estão trabalhando lado a lado com as unidades de negócios da Siemens para avançar com o desenvolvimento das tecnologias de amanhã, quer fazer da LMD o próximo marco na impressão 3D. Também conhecida como fabricação de aditivos, a impressão em 3D está mudando a face da produção industrial.

Hoje o principal processo de impressão de metais é a fusão seletiva a laser (SLM), também conhecida como o método de leito de pó. Aqui, um componente é construído por um laser, uma camada de cada vez, a partir de uma cama de material em pó em uma câmara. Há anos, a Siemens vem aperfeiçoando esta tecnologia por meio de software de simulação, sistemas de controle para impressoras 3D, integração digital na cadeia de valor industrial e, por último mas não menos importante, seus próprios produtos fabricados em 3D para o setor energético, como os queimadores de turbinas a gás.

As vantagens são imensas

No entanto, a deposição de metais a laser (LMD) está sendo cada vez mais vista como uma alternativa ao SLM. Uma análise realizada pelo instituto de pesquisa de mercado americano Research and Markets concluiu que a LMD é a tecnologia com as maiores taxas de crescimento neste jovem setor industrial.

 

As razões para este prognóstico são óbvias. A LMD não depende de câmaras de pressão, que protegem o processo de impressão do seu ambiente. Com SLM, as áreas de trabalho devem primeiro ser inundadas com gases inertes, o que é um processo demorado. Com a deposição do metal laser, por outro lado, o processo de impressão pode começar imediatamente, pois os gases inertes fluem diretamente da cabeça do laser e envolvem o fluxo de pó e a piscina de solda

 

Além disso, a tecnologia LMD permite que o cabeçote laser e as peças se movimentem de forma mais flexível, abrindo assim a porta para uma maior liberdade de projeto e para a produção de componentes maiores - uma vantagem potencial em áreas como a indústria da aviação e a tecnologia de turbinas. Além disso, como regra geral, a LMD não requer nenhuma estrutura de suporte, - uma vantagem significativa em comparação com o método do leito de pó, no qual as estruturas de suporte ajudam a equilibrar as tensões do material. Como estas estruturas são necessárias apenas durante o processo de fabricação, elas têm que ser removidas e recicladas após a impressão ter sido concluída, uma etapa que requer que os pontos de conexão de tais componentes sejam posteriormente remontados. E finalmente, a deposição de metais a laser conserva recursos, pois quase toda a matéria-prima é utilizada durante o processo de produção.

Reduzindo a variabilidade do LMD

Tendo em vista estas vantagens, a CT está trabalhando com a divisão de Fábrica Digital da Siemens para estabelecer a tecnologia LMD com mais firmeza na produção industrial. "Temos todo o know-how necessário para a automação industrial da impressão 3D", diz Heinz-Ingo Schneider, da divisão Digital Factory. "É por isso que pensamos que há um enorme potencial para deposição de metais a laser."

 

No entanto, ainda há trabalho a ser feito antes que a LMD possa atingir todo o seu potencial. Por exemplo, o processo é menos preciso do que o SLM. Como resultado, os componentes acabados geralmente têm de ser reequipados, o que explica porque as máquinas LMD têm sido normalmente combinadas com fresadoras em instalações industriais. Sistemas híbridos deste tipo são utilizados hoje em todo o mundo para produzir componentes precisos para turbinas de aeronaves e rolamentos de rolos.

Considerando este inconveniente, Daniel Regulin está agora se concentrando em como ajudar a divisão Digital Factory a fazer com que os sistemas híbridos operem mais rapidamente e com melhor relação custo-benefício. Especificamente, ele está olhando para uma parte chave do processo LMD: as espessuras frequentemente variáveis das camadas metálicas, que determinam o tamanho dos componentes impressos. Estas espessuras podem variar devido a vários motivos - por exemplo, se o fluxo de material muda de uma forma não planejada. As espessuras também podem variar se a velocidade da cabeça de impressão, que é transportada por um braço do robô, flutua.

 

Para lidar com este problema, a Siemens CT está participando num projeto de desenvolvimento da UE chamado PARADDISE(Productive, Affordableand Reliablesolution for large scale manufacturing of metallic components by combining laser-based ADDItiveand Subtractiveprocesses with high Efficiency), que é concebido para minimizar ou eliminar a variabilidade do processo de impressão LMD

Processo Autorregulado

Além da Siemens, os membros do projeto incluem o fabricante espanhol de máquinas-ferramenta Ibarmia, a RWTH Aachen University e a Precitec, especialista alemão em processamento de materiais a laser e tecnologia de medição óptica. O seu trabalho centra-se na produção de uma caixa de baixa pressão e de um parafuso de extrusão - um cilindro com uma rosca espiral que é utilizado na indústria para prensar massas viscosas através de aberturas que as moldam.

 

A equipe do projeto Regulin, apoiada pela Universidade RWTH Aachen, contribuiu com uma invenção pioneira para o processo de desenvolvimento do projeto. A equipe desenvolveu uma tecnologia de controle na qual um sensor Precitec calcula a espessura exata de cada camada metálica que foi colocada. Para isso, o programa de controle utiliza o sensor, que mede a interferência óptica, para comparar a altura planejada de um componente com a sua altura real. A espessura das camadas pode então ser ajustada através da alteração da velocidade de impressão. O resultado é um marco histórico. Um processo autorregulado que permite que as máquinas híbridas produzam componentes mais rapidamente, porque as peças em bruto requerem menos pós-processamento. E também requer menos energia e material. Isso, por sua vez, reduz o custo dos componentes metálicos de alta qualidade.

 

A Schneider e a Regulin estão agora considerando possíveis formas de integrar esta tecnologia na gama de produtos da divisão de Fábrica Digital. Muitos fabricantes líderes de máquinas LMD são clientes potenciais desta tecnologia de controle de processos. No entanto, o objetivo a longo prazo é que um dia este processo chegue a tal ponto que os componentes impressos deixem a máquina num estado que esteja pronta para entrega. "Por enquanto, o pós-processamento continuará a ser necessário, mas já podemos aumentar significativamente a confiabilidade do processo", diz Schneider.

2019-02-12

Hubertus Breuer

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