O que é material AM?

Introdução

A manufatura aditiva (AM), também conhecida como impressão 3D, é uma abordagem transformadora da produção industrial que permite a criação de peças leves e duráveis diretamente a partir de modelos digitais. Um dos principais facilitadores da tecnologia AM é o desenvolvimento de materiais avançados que podem ser processados em componentes tridimensionais complexos com propriedades mecânicas superiores. Materiais AM são essenciais para a produção de peças de alta qualidade usando métodos de impressão 3D. Este artigo fornecerá uma visão aprofundada dos materiais de AM, incluindo as principais propriedades, categorias, metais, polímeros, cerâmicas, compostos e muito mais.

Visão geral dos materiais de AM

Os materiais de AM referem-se às matérias-primas, como metais, polímeros, cerâmicas e compostos, que são usados como matéria-prima para os processos de impressão 3D. As propriedades dos materiais de AM têm grande influência sobre o desempenho mecânico, a precisão, o acabamento da superfície e outras características das peças impressas. Os materiais para AM devem ter determinadas características:

• Capacidade de ser transformado em filamento, pó, resina ou outros formatos exigidos por diferentes tecnologias de impressão 3D
• Capacidade de fluir, fundir ou unir durante o processo de construção camada por camada
• Integridade estrutural e resistência suficientes para formar objetos 3D complexos sem defeitos
• Atributos metalúrgicos, químicos e microestruturais para fornecer as propriedades necessárias do material em peças acabadas

As categorias mais comumente usadas de materiais de AM incluem metais, polímeros, cerâmicas e compostos. Cada material tem propriedades distintas adequadas para diferentes aplicações de manufatura aditiva.

Principais propriedades do material para AM

Há várias propriedades importantes dos materiais que determinam sua adequação e desempenho nos processos de AM:

Capacidade de impressão

A capacidade de impressão refere-se à capacidade de um material ser processado por máquinas de impressão 3D em objetos precisos e robustos. Os materiais precisam de propriedades como fluxo de fusão adequado, morfologia de partículas e comportamento de espalhamento para serem impressos com sucesso.

Força

Os materiais de AM devem ter alta resistência para suportar forças e manter sua forma sem rachaduras ou deformações nas peças acabadas. A resistência é importante em componentes que suportam peso.

Robustez

A tenacidade é a capacidade de absorver tensões mecânicas ou térmicas sem fraturar prematuramente. Os materiais de AM exigem boa tenacidade para produzir componentes duráveis.

Propriedades térmicas

A temperatura de fusão, a cinética de solidificação e a condutividade térmica adequadas permitem que os materiais AM sejam fundidos, depositados e solidificados precisamente camada por camada durante a impressão.

Propriedades reológicas

O comportamento de fluxo e viscosidade dos materiais AM fundidos ou depositados afeta a precisão e o acabamento da superfície das peças impressas. As propriedades reológicas ideais promovem o fluxo e a ligação suaves.

Densidade

Os materiais de AM devem apresentar alta densidade nas peças acabadas para proporcionar funcionalidade, qualidade de superfície e integridade estrutural aos componentes impressos. Uma densidade menor pode comprometer o desempenho mecânico.

Categorias de materiais de AM

Há quatro categorias principais de materiais usados na manufatura aditiva:

Metais para AM

Os metais são comumente processados por meio de fusão de leito de pó e processos de AM de deposição de energia direcionada. Os metais mais populares incluem:

• Aço inoxidável - excelente força, resistência à corrosão e biocompatibilidade o tornam ideal para peças fabricadas nos setores aeroespacial, automotivo, médico e muitos outros. Vários graus de liga são usados, incluindo 316L, 17-4PH, 15-5PH.
• Alumínio - Conhecido por seu peso leve, propriedades térmicas e resistência. Usado para componentes aeroespaciais, peças automotivas, trocadores de calor e bens de consumo. A liga 6061 é muito popular.
• Titânio - Metal extremamente forte, mas leve, valorizado em aplicações aeroespaciais. As classes incluem Ti6Al4V e Ti64. Oferece biocompatibilidade para implantes médicos.
• Ligas de níquel - Superligas resistentes ao calor e à corrosão à base de níquel, como Inconel 625 e 718. Usadas para ferramentas, lâminas de turbina e peças em ambientes extremos.
• Cobalto-cromo - Ligas de cobalto e cromo que oferecem alta resistência, dureza e biocompatibilidade para implantes ortopédicos e dentários.
• Metais preciosos - Ouro, prata e metais e ligas do grupo da platina usados principalmente em joias, eletrônicos e peças decorativas.

Polímeros para AM

Os polímeros termoplásticos e fotocuráveis são processados usando extrusão de material, fotopolimerização em cuba e métodos de AM de fusão em leito de pó. Alguns polímeros comuns de AM:

• ABS (acrilonitrila butadieno estireno) - Forte e leve, usado para prototipagem e peças de uso final, como gabinetes e componentes automotivos.
• PLA (ácido polilático) - Feito de amido de milho. Usado para embalagens sustentáveis, recipientes para alimentos e bens de consumo. Oferece alta rigidez.
• Nylon - O nylon de grau de engenharia oferece excelente resistência, dureza e resistência térmica. Usado para peças de uso final e protótipos funcionais.
• Fotopolímeros - Resinas fotocuráveis curadas por luz UV. Usadas em estereolitografia e impressão 3D a jato de tinta. Oferecem alta precisão e qualidade de superfície. Os exemplos incluem resinas epóxi e acrílicas.

Cerâmica para AM

A cerâmica e o vidro oferecem alta resistência ao calor. Os métodos de produção incluem jato de aglutinante, extrusão de material e estereolitografia. Os materiais cerâmicos para AM incluem:

• Alumina (Al2O3) - Cerâmica de alta resistência usada em componentes aeroespaciais e peças de isolamento. Oferece resistência à corrosão e estabilidade térmica.
• Zircônia (ZrO2) - A extrema dureza a torna adequada para ferramentas, pastilhas de corte e peças resistentes ao desgaste. Usado em restaurações dentárias.
• Carbeto de silício (SiC) - Cerâmica dura e leve usada quando é necessária alta rigidez e resistência térmica. Usado para fabricar espelhos e peças semicondutoras.

Compostos para AM

Os materiais AM compostos incorporam dois ou mais materiais constituintes, como polímeros, cerâmicas ou metais. Isso permite a personalização de propriedades como resistência, dureza, condutividade etc. Os exemplos incluem:

• Polímeros reforçados com fibra de carbono - Alta relação entre resistência e peso. Usados para construir estruturas e componentes leves para os setores aeroespacial e automotivo.
• Compostos de matriz metálica - Partículas de cerâmica, como carbeto de silício, são combinadas com ligas de alumínio usando DED AM para criar propriedades aprimoradas. Usado para fabricar componentes de mísseis, peças de aeronaves, etc.
• Compósitos de resina de fotopolímero - Mistura de fotopolímeros e partículas de cerâmica para combinar resistência e rigidez. Usado para imprimir restaurações dentárias em 3D.

Metais para manufatura aditiva

Os metais representam a maior parte dos materiais usados na AM. Os metais mais populares para impressão 3D incluem aço inoxidável, alumínio, titânio, ligas de níquel e cobalto-cromo.

Aço inoxidável

O aço inoxidável é um dos metais mais usados atualmente na AM. Ele oferece uma excelente combinação de alta resistência, boa ductilidade e resistência à fratura, resistência à corrosão e ao desgaste e biocompatibilidade. Vários tipos são usados para AM, incluindo 316L, 304L, 17-4PH, 15-5PH, aços maraging e aços duplex. As peças impressas em aço inoxidável incluem componentes de naves espaciais e foguetes, impulsores, válvulas, instrumentos cirúrgicos e peças automotivas.

Alumínio

As ligas de alumínio como AlSi10Mg possuem propriedades como baixa densidade, boa condutividade térmica e excelente resistência, o que as torna atraentes para a AM. As principais aplicações incluem componentes complexos de fuselagem, motores e drones no setor aeroespacial, peças automotivas, incluindo rodas, quadros e cilindros, estruturas leves personalizadas para esportes motorizados, trocadores de calor e bens de consumo. As vantagens em relação à fabricação convencional incluem topologia otimizada, consolidação de peças e resistência à fratura.

Titânio

As ligas de titânio são valorizadas em aplicações aeroespaciais devido a propriedades como alta relação resistência-peso, resistência à fratura, vida útil à fadiga e resistência à corrosão. Mais de 75% do uso do titânio AM é no setor aeroespacial. A liga mais popular é a Ti6Al4V, seguida pela Ti64. As peças de titânio AM incluem componentes estruturais de fuselagem, lâminas de turbina, peças de espaçonaves e implantes ósseos leves que se integram bem ao tecido biológico. Os desafios incluem altos custos de material e dificuldades na usinagem de titânio AM.

Superligas de níquel

As superligas à base de níquel potencializam os pontos fortes, como a retenção de propriedades mecânicas em altas temperaturas, a resistência à corrosão e à fluência, para serem amplamente utilizadas em ambientes extremos. As ligas comuns incluem Inconel 718, Inconel 625 e Inconel 939, impressas por DED ou métodos de leito de pó. A AM é usada para fabricar lâminas de turbina, ferramentas, componentes de motores de foguete e peças nos setores nuclear, de processamento químico e de energia.

Ligas de cobalto-cromo

As ligas de cobalto-cromo, como o CoCrMo, possuem alta dureza, resistência e excelente biocompatibilidade. Elas são os metais mais usados para a impressão de próteses dentárias, como coroas e pontes, bem como implantes ortopédicos para joelho, quadril e ombro. A AM permite projetos personalizados e estruturas de treliça em implantes com propriedades mecânicas semelhantes às do osso e integração porosa com o tecido. O desafio é obter acabamentos de superfície suaves.

Polímeros para manufatura aditiva

Os polímeros são normalmente processados por meio de métodos de extrusão de material, fusão de leito de pó e fotopolimerização em tanque. Termoplásticos como ABS e PLA são amplamente usados para modelos conceituais, protótipos funcionais e peças de uso final em todos os setores. Os fotopolímeros permitem acabamentos suaves e características finas.

ABS - Acrilonitrila Butadieno Estireno

O ABS oferece propriedades como alta resistência ao impacto, tenacidade e resistência a temperaturas relativamente altas, o que o torna adequado para a impressão 3D de geometrias complexas. O ABS é usado em modelos de conceito visual, prototipagem de bens de consumo, peças automotivas, gabinetes e montagens de encaixe nos setores aeroespacial, de saúde e industrial. As limitações incluem temperatura máxima de trabalho mais baixa em comparação com os metais e resistência limitada aos raios UV.

PLA - Ácido Polilático

O PLA é um termoplástico biodegradável derivado do amido de milho renovável ou da cana-de-açúcar. Ele é amplamente usado na impressão 3D de vários produtos, como recipientes para alimentos, saquinhos de chá, garrafas de água, bem como implantes médicos e andaimes que podem se degradar com segurança dentro do corpo. As vantagens incluem alta rigidez, baixa toxicidade e temperaturas de impressão relativamente baixas. As limitações incluem baixa resistência ao calor e baixa resistência ao impacto.

Nylon

O nylon oferece excelente resistência à tração, acabamento de superfície, resistência química, resistência à abrasão e flexibilidade. Isso o torna útil para protótipos funcionais e peças de uso final, como engrenagens, ferramentas, componentes de suporte de carga, recipientes para alimentos etc. em aplicações automotivas, de bens de consumo e industriais. O pó de náilon pode ser processado por meio de técnicas de sinterização seletiva a laser e fusão com múltiplos jatos. A superfície de baixa fricção permite aplicações de contato deslizante de baixo desgaste.

Fotopolímeros

As resinas de fotopolímero curáveis por UV permitem uma precisão e um acabamento de superfície extremamente altos em processos de AM, como estereolitografia e processamento digital por luz. Os fotopolímeros se solidificam rapidamente quando expostos à luz UV. Os materiais incluem resinas epóxi, acrílicas e de acrilato usadas na fabricação de lentes, modelos médicos, joias, implantes, peças fundidas de alta precisão para a indústria aeroespacial e outros componentes de qualidade crítica. As limitações incluem menor resistência em comparação com os termoplásticos de nível industrial.

Cerâmica para manufatura aditiva

As cerâmicas possuem alta resistência e dureza em temperaturas elevadas, bom isolamento elétrico e propriedades de baixa expansão térmica. Isso as torna úteis para componentes de seção quente em motores de turbina, sistemas de proteção térmica e outras aplicações em que são necessários materiais refratários. A AM permite geometrias complexas de cerâmica que não podem ser obtidas por métodos convencionais.

Alumina

A alumina ou óxido de alumínio Al2O3 oferece dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e estabilidade de temperatura muito altas. A AM é usada para fabricar componentes de alumina de alto desempenho para aplicações aeroespaciais e astronáuticas. As peças incluem bicos de foguete, escudos de radiação e componentes de isolamento térmico, aproveitando as liberdades de projeto possibilitadas pela AM. As limitações incluem menor resistência à fratura e resistência à tração, que podem causar falhas inesperadas nas peças acabadas.

Zircônia

A extrema dureza, a resistência ao desgaste e a baixa condutividade térmica da zircônia ZrO2 a tornam útil para a fabricação AM de ferramentas de corte, brocas, matrizes de extrusão e outros componentes sujeitos a alto desgaste. Na odontologia, ela é usada para imprimir restaurações dentárias fortes e estéticas, como coroas e pontes, que imitam a aparência dos dentes naturais. A distribuição fina do tamanho das partículas é essencial para a alta densidade e o desempenho das peças acabadas de zircônia.

Carbeto de silício

O carbeto de silício SiC possui dureza e resistência muito altas, especialmente em altas temperaturas, além da capacidade dos metais. A AM é ideal para fabricar espelhos de SiC, componentes ópticos e estruturas para telescópios espaciais, onde as variações de temperatura são enormes. Na Terra, o SiC é usado na AM de equipamentos de fabricação de semicondutores, pastilhas de combustível nuclear e componentes de motores de turbina. As peças de SiC geralmente exigem acabamento secundário para obter superfícies lisas como espelhos.

Processos de AM de metal

Os métodos mais usados para imprimir metais incluem a fusão em leito de pó e a deposição de energia direcionada:

Fusão de leito de pó

Isso inclui a sinterização seletiva a laser (SLS) e a fusão por feixe de elétrons (EBM). A SLS usa um laser, enquanto a EBM usa um feixe de elétrons para fundir seletivamente partículas de pó metálico camada por camada com base em uma seção transversal da geometria da peça. Após cada camada, mais pó é espalhado e compactado para a próxima camada. O aço inoxidável e o titânio são comumente processados, proporcionando alta precisão e microestruturas finas. As limitações incluem taxas de construção lentas.

Deposição de energia direcionada

A DED focaliza um feixe de laser ou de elétrons para fundir arame metálico de matéria-prima, pó ou pó soprado em locais específicos para empilhar o material e fabricar a geometria desejada. A DED é frequentemente usada para reparar ou adicionar recursos a componentes existentes. As vantagens incluem taxas de construção mais rápidas e a capacidade de misturar composições de metal. Mas a precisão e o acabamento da superfície são inferiores aos da fusão em leito de pó.

Processos de AM de polímeros

Os termoplásticos são comumente processados usando métodos de extrusão de material e fusão de leito de pó. A fotopolimerização em tanque é usada para processar resinas fotocuráveis em peças de polímero de alta precisão.

Extrusão de material

A extrusão de material aquece o filamento termoplástico e o extrusa camada por camada por meio de um bocal para fabricar uma peça. A modelagem por deposição fundida (FDM) da Stratasys e a fabricação por filamento fundido (FFF) são tecnologias de extrusão de material amplamente usadas para imprimir em 3D peças de ABS, PLA, náilon e PC. As vantagens incluem baixos custos de máquina e material. As desvantagens incluem menor precisão, fraca ligação entre camadas e linhas de camadas visíveis nas superfícies.

Fusão de leito de pó

A sinterização direta a laser (DLS) usa um laser para fundir seletivamente partículas de pó de polímero dispostas em um leito fino. Após cada camada, uma nova camada de pó é depositada e sinterizada. A DLS pode construir geometrias altamente complexas em materiais termoplásticos de produção, como o náilon, com propriedades mecânicas próximas às da moldagem por injeção. A fusão de múltiplos jatos (MJF) é um processo baseado em pó da HP que usa agentes de fusão e detalhamento para obter propriedades isotrópicas e precisão superiores.

Fotopolimerização em cuba

A estereolitografia (SLA) converte resina líquida em objetos 3D sólidos usando luz ultravioleta para curar seletivamente a resina fotossensível. O processamento digital de luz (DLP) também usa um tanque de resina fotocurável, mas cura cada camada usando um sistema de projetor de luz. Esses processos permitem superfícies extremamente lisas e a captura de detalhes finos para padrões de fabricação, fundições de investimento, modelos médicos e padrões de joias.

Processos de AM de cerâmica

Os métodos de jato de aglutinante e extrusão de material são usados popularmente para processar cerâmicas e compósitos de cerâmica-polímero em peças impressas em 3D complexas, mas robustas.

Jateamento de ligantes

Nesse processo de leito de pó, um agente aglutinante líquido é depositado seletivamente para unir partículas de pó cerâmico durante a impressão. Depois de concluída, a peça verde é sinterizada para queimar o aglutinante e densificar a peça. Alumina, zircônia, carbeto de silício e pós de vidro foram impressos usando o jato de aglutinante. Isso permite um alto teor de cerâmica nas peças. As limitações incluem menor densidade alcançável em relação à cerâmica sólida.

Extrusão de material

Também chamada de robocasting ou escrita direta com tinta, a extrusão de material imprime pastas de cerâmica por meio de um bocal para criar estruturas em camadas. Normalmente, a composição combina pó cerâmico, monômeros, dispersante e iniciador. Depois de impressas, as peças são curadas e sinterizadas. Compostos de carbeto de silício e alumina com conteúdo de cerâmica >50% podem ser impressos usando esse método. Mas o encolhimento durante a secagem e a sinterização pode induzir a distorções de forma.

Materiais compostos de AM

A manufatura aditiva permite que diferentes materiais de base, como polímeros, metais e cerâmicas, sejam combinados em materiais compostos com propriedades personalizadas.

Compostos de matriz metálica

Os pós metálicos podem ser misturados com reforços rígidos, como carbeto de silício ou alumina, durante o processamento DED para obter dureza, força e resistência ao desgaste superiores em comparação com metais não reforçados. Os compostos de matriz de níquel e titânio foram aumentados com partículas e nanotubos de SiC para aumentar a rigidez e a estabilidade térmica em peças de seção quente de motores de turbina e foguete.

Compostos de fibra de carbono

As fibras de carbono cortadas ou contínuas podem reforçar fotopolímeros na impressão 3D SLA ou termoplásticos em FDM/FFF. Isso melhora a rigidez, a resistência estática, a resistência térmica e a estabilidade dimensional de peças como estruturas de drones e componentes internos de aeronaves, além de reduzir o peso. É possível obter um excelente controle da orientação da fibra durante a AM.

Compostos de resina fotocuráveis

Os polímeros de SLA são combinados com partículas e nanotubos de cerâmica para modificar as propriedades da resina, como módulo, temperatura de deflexão térmica, dureza e condutividade térmica, com base nos requisitos da aplicação, mantendo a precisão dimensional e os benefícios do acabamento da superfície. Isso permite pontes e coroas dentárias impressas em 3D com propriedades mecânicas e estéticas aprimoradas.

Vantagens dos materiais de AM

Os materiais de AM proporcionam benefícios de desempenho e possibilidades de design que não podem ser alcançados por meio da fabricação convencional:

• Complexidade - Estruturas ocas e celulares complexas podem ser produzidas diretamente a partir de modelos CAD que seriam impossíveis de fabricar de outra forma. Isso permite projetos leves e otimizados.
• Personalização - Implantes, palmilhas e próteses que se ajustam perfeitamente à anatomia de um indivíduo podem ser impressos em 3D a partir de dados de digitalização médica para maior conforto e restauração da função.
• Consolidação da Assembleia - A redução do número de peças por meio da impressão de componentes consolidados melhora a confiabilidade, reduz os estoques e permite uma produção mais rápida.
• Alto desempenho - O fortalecimento das direções dos metais por meio da solidificação epitaxial e dos compostos com microestruturas orientadas resulta em propriedades mecânicas superiores.
• Sustentabilidade - O aditivo permite a produção sob demanda com o mínimo de desperdício. Alguns materiais de AM, como os biopolímeros fabricados a partir de fontes renováveis, também contribuem para a sustentabilidade.

Desafios para materiais de AM

Embora os materiais AM ofereçam muitos benefícios, há certos desafios que precisam ser enfrentados para uma adoção mais ampla:

• Padrões - A falta de especificações e padrões em todo o setor para a maioria dos materiais de AM torna a consistência um desafio. A qualidade do material pode variar entre fornecedores e tecnologias de impressão.
• Certificação - Certificação e documentação rigorosas são necessárias, especialmente para ligas metálicas usadas em aplicações médicas, aeroespaciais e de defesa de missão crítica, antes que a AM possa ser aceita para componentes de produção de uso final.
• Defeitos - Alguns processos de AM sofrem de porosidade, microfissuras e falhas de delaminação em peças acabadas que comprometem o desempenho mecânico. São necessários mais aprimoramentos nas propriedades do material, no controle de qualidade e nos parâmetros do processo.
• Acabamento da superfície - O degrau de escada e as linhas de camada da AM podem exigir um polimento manual extensivo das superfícies. Alguns materiais também sofrem com a rugosidade da estrutura do grão. É necessário entender melhor as causas e as soluções para o acabamento ruim da superfície.
• Custo - Os custos dos materiais de AM costumam ser altos devido a formulações exclusivas, fornecedores limitados e baixos volumes de produção. O aumento da produção de materiais de AM pode melhorar a competitividade de custo em relação aos materiais convencionais.
• Anisotropia - Algumas microestruturas de AM altamente orientadas ou em camadas resultam em variabilidade direcional nas propriedades, como maior resistência paralela à construção em comparação com a perpendicular. Técnicas aprimoradas de ligação e deposição de materiais ajudam a superar a anisotropia.

O futuro dos materiais de AM

A inovação dos materiais de AM é vital para a expansão contínua da manufatura aditiva. Algumas áreas importantes que se mostram promissoras para o futuro:

• Multimateriais - Peças únicas que combinam diferentes metais, cerâmicas e polímeros permitirão a verdadeira multifuncionalidade. Isso está sendo pesquisado usando a impressão 3D com vários bicos.
• Materiais inteligentes - A impressão 4D incorpora ligas com memória de forma, hidrogéis e elastômeros de cristal líquido para criar objetos que reconfiguram a forma/cor/transparência quando expostos a estímulos como calor, umidade, luz ou campos magnéticos.
• Biocompatível - Novos materiais de engenharia de tecidos e transportadores de células-tronco impulsionarão a adoção da AM em tratamentos médicos para melhorar a integração e a regeneração.
• Sustentável - Materiais AM ecologicamente corretos e não tóxicos derivados de recursos abundantes e renováveis precisam ser desenvolvidos como alternativas aos polímeros derivados do petróleo.
• Nanocompósitos - As matrizes de polímero e metal reforçadas com nanotubos/nanopartículas para melhorar substancialmente as propriedades mecânicas, térmicas e elétricas abrirão novas aplicações de alto desempenho.
• Ferramentas de design - A modelagem computadorizada em várias escalas baseada em física dos processos de AM levará a melhores previsões de microestruturas e propriedades para qualificação de novos materiais e otimização.

Conclusão

Em resumo, os materiais de AM são facilitadores vitais de componentes funcionais impressos em 3D em todos os setores. Metais, polímeros, cerâmicas e compostos oferecem recursos distintos para produzir peças complexas e de alto desempenho usando processos de manufatura aditiva. Embora existam desafios, a inovação dos materiais de AM continuará a expandir as possibilidades de design e os benefícios da tecnologia de impressão 3D.

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