Introdução
A tecnologia de impressão 3D revolucionou os processos de fabricação em todos os setores, permitindo a prototipagem rápida e a produção de componentes leves e complexos. Um dos materiais mais usados na impressão 3D de metal é o alumínio, devido à sua alta relação resistência/peso, resistência à corrosão, excelente condutividade térmica e elétrica e facilidade de pós-processamento.
Entre as várias ligas de alumínio, Pó de liga de alumínio 7050 está ganhando popularidade para aplicações de impressão 3D que exigem alta resistência e tenacidade moderada. O alumínio 7050 contém zinco, magnésio e cobre como seus principais elementos de liga e oferece resistência comparável à de alguns aços. Este artigo apresenta uma visão geral do pó de liga de alumínio 7050 e suas aplicações na impressão 3D.
Visão geral do pó de liga de alumínio 7050
O pó da liga de alumínio 7050 foi desenvolvido inicialmente na década de 1950 para aplicações estruturais de aeronaves de alta resistência. Ele faz parte da série 7xxx de ligas de alumínio, que são conhecidas por sua maior resistência entre todas as ligas de alumínio.
A composição típica do pó da liga de alumínio 7050 é:
- Zinco: 6,2%
- Magnésio: 2,3%
- Cobre: 2,2%
- Ferro: 0,15%
- Silício: 0,12%
- Manganês: 0,10%
- Cromo: 0,05%
- Zircônio: 0,25%
Os principais elementos de liga, zinco e magnésio, proporcionam resistência por meio do endurecimento por precipitação, enquanto o cobre melhora a resistência à corrosão. O zircônio é adicionado para controlar a estrutura dos grãos.
As principais propriedades do pó de liga de alumínio 7050 são:
- Alta resistência - resistência ao escoamento de 500 MPa e resistência à tração de 570 MPa na têmpera T651.
- Boa resistência à fratura - Cerca de 33 MPa√m na têmpera T7351.
- Excelente resistência à fadiga - resistência à fadiga de cerca de 310 MPa a 107 ciclos na têmpera T7351.
- Boa resistência à corrosão - Devido à liga de cobre.
- Densidade média - Cerca de 2,83 g/cm3.
- Excelente usinabilidade e estabilidade dimensional durante o tratamento térmico.
A combinação de alta resistência, boa tenacidade e densidade moderada faz do 7050 a escolha ideal para peças estruturais e componentes que visam à redução de peso.
Vantagens da liga de alumínio 7050 para impressão 3D
A liga de alumínio 7050 oferece vários benefícios que a tornam adequada para aplicações de impressão 3D:
Alta relação entre resistência e peso
A resistência relativamente alta, aliada à densidade média, resulta em uma excelente relação resistência/peso para o alumínio 7050. Isso permite projetar peças leves impressas em 3D com propriedades mecânicas suficientes.
A alta resistência do 7050 permite a impressão 3D de componentes destinados a suportar altas tensões, pressões e cargas operacionais. Ao mesmo tempo, a densidade mais baixa em comparação com os aços e as ligas de titânio resulta em economia de peso.
Boa capacidade de impressão
As partículas de pó 7050 podem ser moldadas de forma ideal em uma morfologia esférica ou quase esférica com técnicas de atomização adequadas. Isso permite o fluxo suave do pó e o espalhamento uniforme das camadas de pó durante a impressão 3D.
A excelente condutividade térmica do alumínio também evita problemas como empenamento e tensões residuais durante a impressão. Isso resulta em boa capacidade de impressão e precisão dimensional das peças impressas em pó de liga de alumínio 7050.
Tratabilidade térmica
O pó de liga de alumínio 7050 pode ser tratado termicamente para obter as propriedades desejadas, como alta resistência. A impressão na condição recozida seguida de tratamento térmico pós-impressão permite personalizar as propriedades de acordo com os requisitos da aplicação.
O tratamento por solução, a têmpera e o envelhecimento podem ser usados para obter a resistência ideal nas têmperas T6 e T7. O trabalho a frio entre os ciclos de envelhecimento do 7050 também pode aumentar a resistência ao escoamento para além de 550 MPa.
Resistência à corrosão
A adição de cobre oferece boa resistência à corrosão ao alumínio 7050 em muitas aplicações estruturais. Isso evita a necessidade de revestimentos especializados em alguns casos, simplificando a impressão e o pós-processamento.
Soldabilidade
O pó de liga de alumínio 7050 tem melhor soldabilidade do que muitas outras ligas 7xxx de alta resistência. Isso permite a soldagem de peças 7050 impressas em 3D umas às outras ou a componentes feitos com a fabricação tradicional, aumentando a flexibilidade do projeto.
A soldagem por fricção e a soldagem por arco de tungstênio a gás podem ser usadas para unir o alumínio 7050 sem perda significativa das propriedades do metal de base.
Custo-benefício
O pó de liga de alumínio 7050 é mais econômico do que outras ligas aeroespaciais de alta resistência, como o titânio. Isso torna o 7050 uma opção econômica para muitos setores que buscam reduzir o peso e os custos de material.
A boa capacidade de reciclagem do alumínio e a possibilidade de reutilizar o pó de sucata melhoram ainda mais a relação custo-benefício. A proporção entre a compra e a venda de componentes de alumínio impressos em 3D pode chegar a 1:1.
Aplicações de componentes de alumínio 7050 impressos em 3D
As propriedades exclusivas do pó de liga de alumínio 7050 o tornam adequado para as seguintes aplicações:
Aplicações aeroespaciais
O setor aeroespacial é um dos principais adotantes da impressão 3D de metal com ligas de alumínio. O alumínio 7050, com sua alta resistência, tenacidade à fratura e resistência à fadiga, pode ser usado para imprimir os seguintes componentes do espaço aéreo:
- Estruturas e suportes estruturais
- Vedações, dutos e carcaças de aeronaves
- Lâminas de turbina, trocadores de calor e peças do trem de força
- Componentes de UAV/drone, como suportes de motor e trem de pouso
A impressão 3D ajuda a fabricar peças aeroespaciais leves com designs otimizados e geometrias complexas. A GE e a Safran usam a liga 7050 para imprimir peças de motores a jato e obtêm uma economia de peso de 50% em relação à fabricação tradicional.
Peças automotivas
Ligas de alumínio como a 7050 podem substituir componentes pesados de aço em automóveis e ajudar a reduzir o peso. Alguns exemplos de peças automotivas impressas em 3D usando alumínio 7050 incluem:
- Componentes do chassi, do trem de força e da suspensão, como braços de controle
- Aros de rodas
- Pinças e discos de freio
- Carcaças e caixas de transmissão
- Trocadores de calor e intercoolers
A impressão 3D permite a consolidação de conjuntos de várias peças em componentes impressos únicos para carros. A Ford e a Bugatti testaram peças de alumínio impressas em 3D para veículos de corrida e de produção.
Eletrônicos de consumo
O setor de eletrônicos de consumo utiliza a impressão 3D para gabinetes, estruturas e peças de dissipação de calor leves e de alta resistência em produtos como:
- Laptops, telefones celulares, tablets, wearables
- Impressoras 3D de mesa e hardware de computador
- Consoles e acessórios de jogos
- Dispositivos de áudio e vídeo de última geração
A Apple usa liga de alumínio 7050 para fabricar o gabinete dos notebooks Mac Pro com impressão 3D de sinterização seletiva a laser para maximizar a resistência e o gerenciamento térmico.
Componentes de robótica
Vários atuadores, peças de trem de força, juntas, suportes e efetores finais em robôs podem ser impressos em 3D a partir de ligas de alumínio para desempenho leve e de alta resistência sob cargas dinâmicas. O pó de liga de alumínio 7050 é adequado para peças robóticas em:
- Robôs industriais
- Robôs colaborativos
- Exoesqueletos
- UAVs e drones
- Robôs espaciais e rovers
Dispositivos médicos
Instrumentos cirúrgicos, implantes dentários, próteses e ferramentas médicas impressos em 3D usando alumínio 7050 fornecem a resistência necessária para aplicações de suporte de carga e são biocompatíveis.
Equipamentos de defesa
A redução do peso de veículos e equipamentos militares como porta-aviões, tanques e artilharia usando componentes 7050 impressos em 3D melhora a mobilidade. A blindagem de alumínio também pode oferecer proteção e economizar peso em relação à blindagem de aço tradicional.
Parâmetros de processo para impressão 3D de alumínio 7050
O processo de impressão 3D mais adequado para ligas de alumínio é a fusão em leito de pó, que utiliza uma fonte de calor focada, como um laser ou feixe de elétrons, para derreter e fundir seletivamente partículas de pó camada por camada.
As diferentes tecnologias de leito de pó usadas para o alumínio 7050 são:
- Sinterização direta a laser de metal (DMLS)
- Fusão seletiva a laser (SLM)
- Fusão por feixe de elétrons (EBM)
A faixa típica de parâmetros de processo para o alumínio 7050 é:
Laser e óptica
- Potência do laser: 100-500 W
- Velocidade de varredura a laser: 100-1000 mm/s
- Espaçamento entre hachuras: 0,1-0,2 mm
- Espessura da camada: 20-100 μm
Cama de pó
- Tamanho da partícula de pó: 15-45 μm
- Temperatura do leito de pó: Temperatura ambiente para SLM/DMLS, 600-850°C para EBM
Atmosfera inerte
- Teor de oxigênio abaixo de 0,1% para SLM/DMLS
- Vácuo para EBM
Para DMLS/SLM, o pré-aquecimento até um pouco abaixo do ponto de fusão, ou seja, em torno de 500°C, ajuda a reduzir as tensões residuais. A temperatura elevada do leito de pó no EBM também minimiza as tensões.
Além disso, a orientação da peça, as estruturas de suporte e as estratégias de digitalização afetam as tensões residuais e a qualidade da impressão. Tanto o SLM quanto o EBM permitem a impressão rápida de peças densas de alumínio 7050 com propriedades próximas às da fabricação tradicional.
Pós-processamento de peças de alumínio 7050 impressas em 3D
Após a impressão, as seguintes etapas de pós-processamento são normalmente usadas:
- Remoção da placa de montagem: Métodos tradicionais, como serra de fita, corte e usinagem por descarga elétrica. Minimizado para facilitar a remoção da peça usando interfaces como camadas de liberação.
- Remoção do suporte: Os suportes são removidos com alicates, cortadores ou por dissolução em banhos cáusticos.
- Tratamento térmico: Para obter as propriedades mecânicas e a microestrutura do material desejadas. No caso do 7050, isso envolve tratamento de solução, têmpera e envelhecimento.
- Acabamento da superfície: Envolve a remoção de irregularidades da superfície usando técnicas como jateamento de areia, esmerilhamento, revestimento e polimento. O shot peening também pode ser feito para induzir tensões compressivas.
- Inspeção de qualidade: Garante que as dimensões, as tolerâncias e as propriedades finais do material estejam de acordo com os requisitos especificados. São usados métodos de teste como metrologia por coordenadas, testes de tração e avaliação não destrutiva.
- Certificação de peças: Valida a qualidade das peças de aviação para garantir a conformidade com os padrões regulatórios do setor aeroespacial. Reduz drasticamente o tempo de espera em comparação com os fluxos de trabalho tradicionais.
A automação das operações de pós-processamento melhora a repetibilidade e reduz o tempo total de produção de peças. A integração da impressão e do pós-processamento em uma única máquina-ferramenta é uma tendência emergente.
Benefícios e desafios da impressão 3D em alumínio 7050
Alguns dos principais benefícios da impressão 3D de peças de alumínio 7050 incluem:
- Redução de peso - Reduz o peso em mais de 50% em comparação com as peças de aço e melhora a eficiência do combustível
- Eficiência de custos - Custos mais baixos em comparação com as ligas de titânio, redução das perdas por sucata
- Consolidação de peças - Permite geometrias complexas e otimizadas, combina montagens em peças únicas
- Fabricação rápida - Prazos de entrega significativamente mais curtos, acelerando o desenvolvimento de produtos
- Alta resistência - As propriedades mecânicas superam as do alumínio fabricado tradicionalmente
- Personalização - Facilita a obtenção de peças com recursos de design específicos do cliente
- Sustentabilidade - Reutiliza pó de alumínio, relativamente ecológico
No entanto, alguns desafios precisam ser considerados:
- Altos custos de equipamentos - Impressoras e sistemas de manuseio de pó exigem grandes investimentos
- Otimização de processos - Vários parâmetros precisam ser ajustados para impressões de alta qualidade
- Qualificações do material - As propriedades mecânicas dependem do processo de impressão otimizado
- Pós-processamento - Envolve várias etapas, o que consome muito tempo e dinheiro
- Limitações de tamanho da peça - Limitado pelas dimensões do envelope da impressora
- Acabamento da superfície - Pode exigir usinagem tradicional ou outro tipo de acabamento
De modo geral, as vantagens da construção leve, da consolidação de peças e da flexibilidade do projeto superam os desafios destacados acima para a maioria das aplicações.
Perspectiva futura da impressão 3D em pó de liga de alumínio 7050
Prevê-se que o uso de ligas de alumínio leves e de alta resistência cresça exponencialmente na impressão 3D nos setores de aviação, automotivo e outros setores que buscam um design leve.
Dentro das ligas de alumínio, o 7050 continuará encontrando cada vez mais aplicações devido às suas propriedades de resistência superiores, próximas às dos aços, combinadas com densidade moderada. Prevê-se que as ligas de alumínio respondam por mais de 25% do total de peças de metal AM produzidas até 2025.
As principais tendências que ampliarão a adoção da impressão 3D em alumínio 7050 são:
- Melhorias no processo - A otimização de parâmetros, o pós-processamento integrado e o controle de qualidade permitirão que a impressão 3D seja equiparada à fabricação tradicional.
- Reduções de custos - O aumento da produtividade, as melhorias na cadeia de suprimentos e a reciclagem reduzirão os custos.
- Novos aplicativos - A inovação em setores como médico, marítimo, espacial e de defesa impulsionará a demanda por peças de alumínio impressas em 3D.
- Recursos ampliados - Volumes de construção maiores, impressão de vários materiais e certificação rápida facilitarão os aplicativos.
- Integração de automação - A incorporação da impressão 3D nos ecossistemas de fabricação digital melhorará a adoção.
A longo prazo, a impressão 3D usando pó de liga de alumínio 7050 se tornará uma tecnologia de produção convencional em vários setores industriais devido aos seus benefícios exclusivos.
Conclusão
A liga de alumínio 7050 oferece uma combinação ideal de alta resistência, tenacidade à fratura, soldabilidade e resistência à corrosão necessárias em componentes estruturais e de suporte de carga para aviação, automotivo e outras aplicações exigentes.
A impressão 3D usando pó de alumínio 7050 facilita geometrias complexas, estruturas leves e fabricação rápida que não podem ser alcançadas por meio de técnicas tradicionais. Ela oferece oportunidades significativas de redução de peso, economia de custos, redução do tempo de espera e flexibilidade de projeto em vários setores.
Com as melhorias contínuas nos processos de impressão 3D, nas propriedades dos materiais, nos padrões de qualidade e na certificação de peças, a liga de alumínio 7050 está pronta para se tornar um material altamente valorizado para a fabricação digital nos próximos anos. Suas aplicações continuarão a crescer, impulsionadas pela motivação para um design leve nos setores de transporte, defesa, bens de consumo e industrial.
