A impressão 3D em metal é uma tecnologia em constante evolução com potencial para levar a indústria transformadora a novos patamares, graças à sua capacidade de produzir designs complexos e optimizados.

Este método de produção já melhorou a produtividade em várias indústrias, incluindo a de petróleo e gás, produção de aço e mineração. Uma das aplicações mais recentes e interessantes da impressão 3D em metal é a produção de impulsores fechados, mas a complexidade destas peças torna difícil a sua produção com LPBF devido à quantidade de estruturas de suporte necessárias, o que acaba por complicar a impressão e o pós-processamento.

Em colaboração com a EOS, a TheSteelPrinters desenvolveu um processo LPBF para a produção de impulsores fechados que minimiza a utilização de estruturas de suporte. Como resultado, estas peças podem ser produzidas mais rapidamente e de forma mais económica, uma vez que é necessário menos material e tempo de pós-processamento.

Desafios técnicos

A impressão 3D em metal de um impulsor fechado utilizando a tecnologia LPBF (Laser Powder Bed Fusion) apresenta vários desafios. Os impulsores fechados têm geometrias complexas com canais internos e características de saliência de baixo ângulo, que requerem a utilização de estruturas de suporte internas.

As estruturas de suporte internas aumentam os custos do material e o tempo de impressão e podem ser difíceis de remover com maquinação pós-processo, resultando frequentemente em defeitos no acabamento da superfície. Além disso, a necessidade de maquinagem pós-processo conduz a um aumento dos custos e a prazos de fabrico mais longos.

Para ultrapassar estes desafios, é preferível adoptar uma estratégia de impressão “sem suporte”. A concretização desta estratégia requer uma compreensão abrangente do processo LPBF e das propriedades do material de impressão, sendo essencial desenvolver parâmetros de impressão personalizados.

Desenvolvimento do processo

O departamento de I&D da TheSteelPrinters realizou várias experiências com o objectivo de desenvolver uma estratégia de impressão 3D “sem suporte” para impulsores fechados. Estas experiências envolveram a análise de vários parâmetros de impressão, como a potência do laser, a velocidade do laser, a distância de hachura e a espessura da pele inferior, para obter diferentes valores de energia por volume da pele inferior (J/mm3).

Através destas experiências, a equipa desenvolveu uma nova abordagem denominada “High Energy Down Skin” (HEDS), que modifica os “parâmetros Downskin” para criar uma zona soldada mais forte, capaz de suportar as forças de recobrimento. Esta abordagem melhorou significativamente a capacidade de fabrico das saliências, permitindo a produção de impulsores fechados sem a utilização de estruturas de suporte internas.

Uma visão geral dos testes de desenvolvimento HEDS e os seus resultados são detalhados abaixo:

• Na experiência 1, estudámos cinco configurações de parâmetros diferentes, cada uma com valores variáveis de energia descendente, tendo em conta as variáveis do processo, como a direcção do fluxo de gás e a direcção do recobrimento. Os testes foram efectuados em peças de teste com uma saliência de 25 mm, utilizando o sistema EOS M290. Como resultado, três das cinco peças de teste foram impressas com sucesso.
• Experiência 2 envolveu a transferência dos testes para um sistema de alta produtividade, utilizando peças de teste com o mesmo comprimento de saliência de 25 mm, mas com as condições de processo do sistema M400-4. Estudámos um total de sete parâmetros de impressão, incluindo três da experiência anterior e quatro novos parâmetros. No entanto, os resultados revelaram que apenas três das peças de teste foram impressas com sucesso utilizando as condições do processo M400-4.
• Na Experiência 3estudámos mais uma vez um total de sete parâmetros de impressão, consistindo em três da experiência 2 e quatro novos parâmetros, utilizando uma EOS M400-4 e peças de teste com comprimentos de saliência de 35 mm. A fase de testes culminou com a impressão bem sucedida de duas das sete peças de teste, validando assim duas configurações de parâmetros de impressão.

Por fim, utilizando os resultados da Experiência 3, foi realizada a Experiência 4, onde as duas configurações de parâmetros de impressão validadas foram testadas através da produção de um impulsor fechado com um diâmetro de 15 cm e com vários ângulos de saliência. Ambas as configurações de parâmetros produziram com sucesso impulsores sem falhas de saliência, embora com ligeiras diferenças na resolução da superfície.

Conclusões

O desenvolvimento bem sucedido da abordagem HEDS assinala um marco significativo na produção de impulsores fechados e peças com saliências de baixo ângulo.

Ao eliminar a necessidade de estruturas de suporte internas, os impulsores fechados podem ser fabricados com uma precisão dimensional superior, um prazo de entrega reduzido e uma boa relação custo-eficácia.

A utilização da abordagem HEDS pode reduzir os preços unitários em até 30% para a produção de um único impulsor fechado e até 45% para encomendas em massa, tornando assim o fabrico aditivo uma solução financeiramente mais viável para a
produção de componentes de bombas e peças sobresselentes.

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