A tecnologia de manufatura aditiva a laser (AM), com suas vantagens de alta precisão de fabricação, grande flexibilidade e alto grau de automação, é amplamente utilizada na fabricação de componentes-chave em áreas como automotiva, médica, aeroespacial, etc. (como bicos de combustível de foguetes, suportes de antenas de satélite, implantes humanos, etc.). Essa tecnologia pode melhorar significativamente o desempenho combinado das peças impressas por meio da fabricação integrada da estrutura e do desempenho do material. Atualmente, a tecnologia de manufatura aditiva a laser geralmente adota um feixe gaussiano focalizado com alta energia no centro e baixa nas bordas. No entanto, isso frequentemente gera altos gradientes térmicos na massa fundida, levando à subsequente formação de poros e grãos grosseiros. A tecnologia de modelagem de feixe é um novo método para resolver esse problema, que melhora a eficiência e a qualidade da impressão ajustando a distribuição da energia do feixe de laser.
Comparada aos processos tradicionais de subtração e fabricação equivalente, a tecnologia de manufatura aditiva de metais apresenta vantagens como ciclos de produção curtos, alta precisão de processamento, alta taxa de utilização de material e bom desempenho geral das peças. Portanto, a manufatura aditiva de metais é amplamente utilizada em indústrias como aeroespacial, armamentos e equipamentos, energia nuclear, biofarmacêutica e automotiva. Baseada no princípio da deposição discreta, a manufatura aditiva de metais utiliza uma fonte de energia (como laser, arco voltaico ou feixe de elétrons) para fundir o pó ou fio, que é então depositado camada por camada para fabricar o componente desejado. Essa tecnologia apresenta vantagens significativas na produção de pequenos lotes, estruturas complexas ou peças personalizadas. Materiais que não podem ou são difíceis de processar utilizando técnicas tradicionais também são adequados para a preparação por meio de métodos de manufatura aditiva. Devido às vantagens mencionadas, a tecnologia de manufatura aditiva tem atraído grande atenção de pesquisadores tanto no Brasil quanto no exterior. Nas últimas décadas, a tecnologia de manufatura aditiva apresentou rápido progresso. Devido à automação e flexibilidade dos equipamentos de manufatura aditiva a laser, bem como às vantagens abrangentes da alta densidade de energia do laser e da alta precisão de processamento, a tecnologia de manufatura aditiva a laser desenvolveu-se mais rapidamente entre as três tecnologias de manufatura aditiva de metal mencionadas acima.
A tecnologia de manufatura aditiva de metal a laser pode ser subdividida em LPBF e DED. A Figura 1 mostra um diagrama esquemático típico dos processos LPBF e DED. O processo LPBF, também conhecido como Fusão Seletiva a Laser (SLM), permite a fabricação de componentes metálicos complexos através da varredura de feixes de laser de alta energia ao longo de um caminho fixo sobre a superfície de um leito de pó. O pó então funde e solidifica camada por camada. O processo DED compreende principalmente dois processos de impressão: deposição por fusão a laser e manufatura aditiva por alimentação de fio a laser. Ambas as tecnologias permitem a fabricação e o reparo de peças metálicas através da alimentação simultânea de pó ou fio metálico. Comparado ao LPBF, o DED apresenta maior produtividade e uma área de fabricação maior. Além disso, esse método também permite a preparação conveniente de materiais compósitos e materiais com gradiente funcional. No entanto, a qualidade da superfície das peças impressas por DED é geralmente inferior, sendo necessário processamento subsequente para melhorar a precisão dimensional do componente desejado.
No processo atual de manufatura aditiva a laser, o feixe gaussiano focalizado é geralmente a fonte de energia. No entanto, devido à sua distribuição de energia peculiar (alta no centro, baixa nas bordas), ele tende a causar altos gradientes térmicos e instabilidade na poça de fusão, resultando em baixa qualidade de formação das peças impressas. Além disso, se a temperatura no centro da poça de fusão for muito alta, os elementos metálicos de baixo ponto de fusão vaporizarão, exacerbando ainda mais a instabilidade do processo LBPF. Portanto, com o aumento da porosidade, as propriedades mecânicas e a vida útil à fadiga das peças impressas são significativamente reduzidas. A distribuição desigual de energia dos feixes gaussianos também leva a uma baixa eficiência de utilização da energia do laser e ao desperdício excessivo de energia. Para obter uma melhor qualidade de impressão, pesquisadores começaram a explorar a compensação das deficiências dos feixes gaussianos por meio da modificação de parâmetros do processo, como potência do laser, velocidade de varredura, espessura da camada de pó e estratégia de varredura, a fim de controlar a entrada de energia. Devido à janela de processamento muito estreita desse método, as limitações físicas fixas restringem a possibilidade de otimização adicional. Por exemplo, aumentar a potência do laser e a velocidade de varredura pode resultar em alta eficiência de fabricação, mas geralmente à custa da qualidade de impressão. Nos últimos anos, a alteração da distribuição de energia do laser por meio de estratégias de modelagem do feixe pode melhorar significativamente a eficiência de fabricação e a qualidade de impressão, o que pode se tornar a direção futura do desenvolvimento da tecnologia de manufatura aditiva a laser. A tecnologia de modelagem do feixe geralmente se refere ao ajuste da distribuição da frente de onda do feixe de entrada para obter a distribuição de intensidade e as características de propagação desejadas. A aplicação da tecnologia de modelagem do feixe na manufatura aditiva de metais é mostrada na Figura 2.
Aplicação da tecnologia de modelagem de feixe na manufatura aditiva a laser
As limitações da impressão tradicional com feixe gaussiano
Na tecnologia de manufatura aditiva a laser de metal, a distribuição de energia do feixe de laser tem um impacto significativo na qualidade das peças impressas. Embora os feixes gaussianos sejam amplamente utilizados em equipamentos de manufatura aditiva a laser de metal, eles apresentam sérias desvantagens, como qualidade de impressão instável, baixa utilização de energia e janelas de processo estreitas. Entre elas, o processo de fusão do pó e a dinâmica da poça de fusão durante o processo de manufatura aditiva a laser de metal estão intimamente relacionados à espessura da camada de pó. Devido à presença de respingos de pó e zonas de erosão, a espessura real da camada de pó é maior do que a esperada teoricamente. Em segundo lugar, a coluna de vapor causa os principais respingos do jato reverso. O vapor metálico colide com a parede traseira, formando respingos que são pulverizados ao longo da parede frontal, perpendicularmente à área côncava da poça de fusão (como mostrado na Figura 3). Devido à complexa interação entre o feixe de laser e os respingos, estes podem afetar seriamente a qualidade de impressão das camadas de pó subsequentes. Além disso, a formação de poros na poça de fusão também afeta seriamente a qualidade das peças impressas. Os poros internos da peça impressa são causados principalmente por orifícios de encaixe instáveis.
Mecanismo de formação de defeitos na tecnologia de conformação de feixes
A tecnologia de modelagem de feixe permite aprimorar o desempenho em múltiplas dimensões simultaneamente, diferentemente dos feixes gaussianos, que melhoram o desempenho em uma dimensão em detrimento de outras. A tecnologia de modelagem de feixe ajusta com precisão a distribuição de temperatura e as características de fluxo da poça de fusão. Controlando a distribuição da energia do laser, obtém-se uma poça de fusão relativamente estável com um pequeno gradiente de temperatura. A distribuição adequada da energia do laser é benéfica para suprimir a porosidade e os defeitos de pulverização catódica, além de melhorar a qualidade da impressão a laser em peças metálicas. Isso possibilita diversas melhorias na eficiência da produção e na utilização do pó. Ao mesmo tempo, a tecnologia de modelagem de feixe oferece mais estratégias de processamento, ampliando consideravelmente a liberdade de projeto do processo, o que representa um avanço revolucionário na tecnologia de manufatura aditiva a laser.
Data da publicação: 28/02/2024
