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A impressão 3D em metal está revolucionando o mundo da manufatura em uma velocidade nunca antes vista, libertando o design e os engenheiros das restrições tradicionais. De componentes aeroespaciais de alto desempenho a dispositivos médicos individuais e equipamentos industriais complexos e leves, a seleção precisa de materiais metálicos é a porta para desvendar esses usos. Este artigo aborda detalhadamente os principais metais imprimíveis em 3D , como ligas de titânio, ligas de alumínio, aço inoxidável, ligas de alta temperatura, aços para ferramentas e metais preciosos , suas propriedades características, processos apropriados e principais áreas de uso, revelando o potencial ilimitado da manufatura aditiva com metais.

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Liga de titânio: o rei da leveza e alta resistência

Introdução detalhada ao Ti6Al4V (grau 5 e 23) e outras ligas de titânio

Ti6Al4V

Também conhecida como liga de titânio TC4 , é uma liga típica de titânio α+β. Sua composição química consiste principalmente em: titânio (Ti) como matriz; alumínio (Al) (6%) para aumentar a resistência e a estabilidade térmica da liga; e vanádio (V) (4%) para melhorar a plasticidade e a resistência à corrosão. O Ti6Al4V combina inúmeras vantagens, incluindo resistência, tenacidade, resistência ao calor e à corrosão, e baixa densidade. É a liga de titânio mais utilizada no mundo, representando mais de 50% do uso global de ligas de titânio. Simplificando, é mais duro que o alumínio, mais leve que o aço e mais resistente à corrosão que o aço inoxidável.

Grau 5 (Ti-6Al-4V)

O Grau 5 (Ti-6Al-4V), o grau de trabalho mais utilizado, é a liga de titânio mais amplamente utilizada, pois oferece a melhor combinação de resistência à tração (≥ 895 MPa), limite de escoamento (≥ 830 MPa) e ductilidade progressivamente alta (alongamento ≥ 10%) . O Grau 23 (Ti-6Al-4V ELI, Extra Low Interstitial), com baixo teor de intersticial, aumenta significativamente, sem reduzir, a alta resistência (resistência à tração ≥ 828 MPa), a tenacidade à fratura e a tolerância a danos. É particularmente adequado para componentes estruturais de suporte de carga críticos à segurança que exigem máxima confiabilidade, alta resistência a tensões multiaxiais ou serviço em baixas temperaturas, como, por exemplo, risers de exploração de poços de petróleo em águas profundas, peças aeronáuticas e próteses articulares.

Além das séries Grau 5 e Grau 23, a família de ligas de titânio também inclui o TC21 de alta resistência e durabilidade (com resistência à tração ≥1100 MPa), o TC11 de alta resistência à temperatura (capaz de ser utilizado em temperaturas de até 500 °C) e o titânio puro comercial TA1/Ti Grau 2 (boa resistência à corrosão e conformabilidade, comumente observadas em engenharia química e aplicações médicas em geral). Todas as ligas controlam genuinamente o conteúdo de elementos constituintes como Al, V, Ru e elementos interestelares (O, N, C e Fe), em um esforço para satisfazer as necessidades de diferentes e rigorosos ambientes de serviço por alta resistência, alta tenacidade, alta resistência à corrosão, boa soldabilidade e alta biocompatibilidade.

Características

Alta relação resistência-peso, alta resistência à corrosão e boa biocompatibilidade. As ligas de titânio Ti-6Al-4V proporcionam o equilíbrio ideal entre propriedades mecânicas, de corrosão e físicas.

Alta relação resistência-peso: Embora sua densidade seja de apenas 4,43 g/cm³, apenas 60% da do aço, a resistência específica da liga de titânio se iguala, se não supera, a dos aços de liga de alta resistência. Consequentemente, componentes de liga de titânio, submetidos a uma carga semelhante, apresentam uma redução de peso impressionante de mais de 40%. Seu limite de escoamento, geralmente de 800-880 MPa, é tal que o material apresenta , mesmo sob tensão elevada, deformação dúctil e é muito menos propenso a falhar por fragilidade.

Boa resistência à corrosão: Em meios agressivos como ácido fluorídrico, ácido acético e ácido fórmico, uma fina camada passiva de óxido de titânio adere à sua superfície de forma extremamente rápida, o que lhe confere boa resistência à corrosão, permitindo assim que seja utilizado em ambientes químicos e aquáticos.

Maior Biocompatibilidade: Ligas de titânio, especialmente as de Grau 23 ELI, são não sensibilizantes, atóxicas e não magnéticas para o tecido humano. O módulo de elasticidade das ligas de titânio é muito próximo ao do osso humano, minimizando consideravelmente a proteção contra tensões e proporcionando melhor osseointegração. A resistência ao desgaste e a bioatividade podem ser ainda mais aprimoradas por meio de tratamentos de superfície (por exemplo, revestimentos de nitreto de titânio ) e, portanto, são favoráveis para articulações artificiais (articulação do quadril e joelho), placas ósseas, parafusos ósseos, implantes dentários e implantes craniomaxilofaciais avançados. O implante protético personalizado de liga de titânio utilizado durante a primeira "substituição total do corpo vertebral cervical impressa em 3D" do mundo foi útil por oito anos naquele paciente e retornou a um alto padrão de vida, demonstrando seu alto nível de biocompatibilidade e longa vida útil.

Processos relevantes: Ligas de titânio são mais precisas e eficientes no caso de impressão 3D para permitir potencialidades de projeto de componentes personalizados, por exemplo, SLM , EBM e DED.

Aplicações: Devido às suas propriedades excepcionais, as ligas de titânio surgiram como um produto emblemático em uma variedade de aplicações de alto desempenho, desde stents aeroespaciais, peças de motor, dispositivos médicos para substituição de articulações, implantes craniomaxilofaciais, carros de corrida de alto desempenho até dispositivos esportivos.

Aço inoxidável: a espinha dorsal da resistência à corrosão e aplicações industriais

Descrição detalhada de 316L (resistente à corrosão), 17-4PH / 15-5PH (endurecimento por precipitação), 304L, 420, etc.

Aço inoxidável 316L

Sendo o aço inoxidável 316L um aço inoxidável com molibdênio, ele é mais resistente à corrosão em comparação ao aço inoxidável 304 e, portanto, é um material adequado para equipamentos na fabricação de celulose e papel . O aço inoxidável 316 também resiste a atmosferas industriais e marítimas severas. O aço inoxidável 316L também resiste à precipitação de carboneto por mais tempo do que o aço inoxidável 316 e, portanto, é qualificado para aplicações de alta temperatura. Como uma liga de baixo C do aço 316, o 316L possui os mesmos atributos do aço 316, mas com maior resistência à corrosão intergranular. Este é um requisito específico na aplicação do aço 316, onde a resistência à corrosão intergranular é um parâmetro importante. Entre todas as formas de aço inoxidável, o 316L e o 17-4PH são comumente considerados o casal de ouro da impressão 3D. De todas essas formas de aço inoxidável, o 316L, com sua melhor resistência à corrosão e com maior biocompatibilidade, tem bom desempenho em aplicações médicas.

17-4PH / 15-5PH (endurecimento por precipitação)

O aço inoxidável 15-5 é um aço inoxidável martensítico com diversas aplicações. É perfeito para uso em projetos que exigem maior resistência à corrosão e desempenho transversal em comparação com outros aços martensíticos. A temperatura do tratamento térmico pode ser variada para ajustar o grau de resistência e dureza necessários para cada projeto.

17-4PH é uma liga de uma família de ligas de aço inoxidável martensítico endurecíveis por precipitação que apresentam alta dureza e resistência à corrosão, além de moderada resistência à corrosão até 277 °C. Possui excelentes qualidades de fabricação e pode ser endurecida por envelhecimento por meio de um único recozimento de 477 a 577 °C. Esta liga tem sido amplamente utilizada em equipamentos, conexões e ferragens para campos petrolíferos e processamento petroquímico.

Aço inoxidável 304L

Trata-se de um aço-liga 304 com baixo teor de carbono . O 304L possui baixo teor de carbono, o que reduz a precipitação prejudicial de carbonetos durante a soldagem. Por esse motivo, o 304L "pode ser soldado " em ambientes corrosivos hostis sem recozimento. As propriedades mecânicas deste aço são ligeiramente inferiores às do aço 304 padrão, mas é comumente utilizado devido à sua versatilidade. Assim como o aço inoxidável 304 , é comumente utilizado nas indústrias cervejeira e vinícola, mas pode ser utilizado para criar aplicações em produtos não alimentícios, como recipientes para armazenamento de produtos químicos, mineração e construção civil. É ideal para uso em componentes metálicos, como porcas e parafusos, que ficam expostos à água do mar.

O aço 304L desfruta de uma demanda estável, que existe em usos não relacionados a aplicações, como a fabricação de protótipos, devido à sua competitividade de custo. O aço grau 420 é um aço inoxidável martensítico de alto carbono com um nível mínimo de cromo de 12%. O aço grau 420, e o aço inoxidável em geral, podem ser endurecidos a partir de seu estado inicial por tratamento térmico. O aço grau 420, após ser recozido, é relativamente dúctil e apresenta excelente resistência à corrosão após polimento, retificação de superfície ou têmpera. O aço grau 420 é ideal para qualquer tipo de máquina de precisão, usos de rolamentos, dispositivos elétricos, instrumentos, medidores, transporte de veículos, eletrodomésticos de cozinha, serviços de alimentação e dispositivos médicos de aço inoxidável.

Propriedades: Altíssima resistência à corrosão, propriedades mecânicas superiores ou pode ser tratado termicamente para alta resistência e custo relativamente baixo.

Processos de aplicação: Devido à sua alta resistência, resistência à corrosão, tratabilidade térmica para alta resistência e compatibilidade com processos 3D de metais populares em massa, como SLM, DED e Binder Jetting, o aço inoxidável é bem conhecido por imprimir metais em 3D .

Aplicação: Válvulas de tubos para indústria química, alimentícia e marítima, dispositivos médicos, peças de ferramentas ou moldes, ferragens arquitetônicas e peças de função geral.

Ligas de alta temperatura: guardiãs de ambientes extremos

Visão geral abrangente de ligas à base de níquel e cobalto, como Inconel 718, Inconel 625, Hastelloy X e Haynes 282.

Inconel 718

Trata-se de uma liga de níquel de alto desempenho, utilizada principalmente em ambientes corrosivos e de alta temperatura. Oferece alta resistência mecânica, alta resistência à temperatura, resistência à corrosão e soldabilidade e usinabilidade de altíssima qualidade. Possui alto teor de níquel, cromo, ferro e outras ligas em sua composição química, o que lhe confere alta resistência ao calor e à oxidação.

Inconel 625

É uma liga à base de níquel contendo níquel, cromo e molibdênio , além de traços de titânio e alumínio . Apresenta boa resistência à corrosão e características de alta temperatura. Possui propriedades adequadas para uso em uma variedade de ambientes hostis, pois é altamente resistente à corrosão e à oxidação.
Hastelloy X é uma liga de molibdênio e cromo de alta temperatura com alto teor de ferro, que é uma liga reforçada por solução sólida.

Hastelloy X

É resistente à oxidação e à corrosão e tem alta resistência à fluência e tenacidade mesmo em altas temperaturas (por exemplo, abaixo de 900 °C) e também em atmosferas de cementação e nitretação e em atmosferas neutras e redutoras.

Liga Haynes 282

Trata-se de uma superliga de reforço avançada de grau Y, desenvolvida especialmente para serviços estruturais em altas temperaturas, especialmente para uso em solo e motores de turbina na indústria aeroespacial. Oferece um excelente equilíbrio entre soldabilidade, estabilidade térmica, resistência à fluência e usinabilidade em comparação com ligas comerciais .

Propriedades: excelente resistência a altas temperaturas, alta resistência à oxidação, fluência e corrosão.

Processo aplicável: SLM, EBM, com especialização em DED

Aplicações: Aplicações em motores de aeronaves , componentes de turbinas a gás de seção quente (pás de turbina, câmaras de combustão), componentes de motores de foguete, componentes de energia nuclear, fornos de alta temperatura.

Aço para ferramentas e aço para matrizes: resistentes ao desgaste e duráveis

Introdução detalhada: H13 (trabalho a quente), aço maraging 300/350 (endurecimento), 18Ni300, M2 (aço rápido), Toolox 33/44, etc.

H13

É um aço-ferramenta de liga e um aço de trabalho rápido, aplicado principalmente em matrizes de alta temperatura e alta pressão, como forjamento a quente, fundição de liga de alumínio e matrizes de extrusão a quente. O H13 possui alta resistência ao calor, dureza ao rubro, tenacidade e resistência superior à fadiga térmica, apresentando, portanto, excelente desempenho em serviço em altas temperaturas.

Propriedades: Grande dureza, grande resistência ao desgaste e grande resistência a altas temperaturas (aço para trabalho a quente); resistência extremamente alta após tratamento térmico ( aço maraging ).

Aço Maraging 300/350 (endurecimento por envelhecimento)

Aço envelhecido, ou aço maraging 300/350, é um aço de alta resistência constituído por uma matriz martensítica de baixo carbono, ou livre de carbono, que atinge dureza a partir da precipitação de compostos intermetálicos durante o envelhecimento. Ao contrário do aço convencional de alta resistência, ele não atinge dureza a partir do carbono, mas sim da precipitação e dispersão de compostos intermetálicos e, portanto, difere do aço convencional em vários aspectos. Suas características incluem alta resistência, alta tenacidade, baixa temperabilidade, boa conformabilidade, fácil tratamento térmico, ausência de distorção durante o envelhecimento e boa soldabilidade.

18Ni300

É uma liga da série Maraging 300 e possui sua composição e qualidades. Suas principais vantagens são a distorção mínima quando envelhecida em baixas temperaturas, visando a estabilidade dimensional de componentes precisos; sua baixa temperabilidade em trabalho a frio é ideal para estampagem e conformação complexas. Suas aplicações incluem projéteis de mísseis, bielas de carros de corrida de alto rendimento e moldes de fundição de precisão.

M2 (aço rápido)

Trata-se de um aço rápido para ferramentas à base de molibdênio, uma liga composta principalmente por carbono, molibdênio, tungstênio, cromo e vanádio . Este aço apresenta alta resistência ao desgaste, ao choque e a altas temperaturas (mantendo suas propriedades até 600 °C), podendo ser utilizado na fabricação de ferramentas de corte , moldes e componentes de alta resistência. A alta uniformidade de distribuição do carboneto e a alta tenacidade caracterizam este aço, que, no entanto, é propenso a superaquecimento e exige um controle rigoroso dos parâmetros de tratamento térmico. A adição de cério, uma terra rara de grãos finos, refina o tamanho do carboneto, reduz a segregação da liga e enriquece a capacidade e a processabilidade em altas temperaturas.

Toolox 33/444

O Toolox 33/44, um aço revolucionário tratável termicamente , é pré-endurecido em HRC 33 (Toolox 33) e HRC 44 (Toolox 44) na usinagem, o que elimina custos e o tempo de ciclo do tratamento térmico. Alta eficiência de usinagem, altas velocidades de corte direto, que são mais rápidas, e bom desempenho de eletroerosão e polimento, reduzindo o tempo de polimento em um terço, estão presentes neste aço, que possui alta eficiência de usinagem. Tratamentos de superfície compatíveis otimizam ainda mais a resistência ao desgaste. Em grandes dimensões, é comumente utilizado em moldes de injeção , matrizes de estampagem automotiva e dispositivos de robôs, reduzindo o tempo de processamento.

Processos aplicáveis: SLM, EBM, com particular destaque em DED.

Aplicações: Insertos de moldes de injeção/fundição sob pressão, particularmente aqueles com canais de resfriamento conformes, matrizes de estampagem/conformação, ferramentas de corte e peças resistentes ao desgaste.

Metais preciosos e ligas especiais: atendendo a necessidades únicas

Ouro, Prata e Platina

Eles são metais preciosos para atender necessidades específicas em impressão 3D.
Joias: As joias devem ser quimicamente inertes à temperatura e pressão ambiente padrão e resistentes à corrosão contra os principais constituintes da água e do ar. A estabilidade química é excelente no ouro. A prata , com aparência metálica branco-prateada, é facilmente obtida, barata e se tornou a escolha favorita para joias. A platina , que é o ouro branco, tem aparência metálica branco-prateada, é altamente dúctil e resistente à corrosão contra ácidos fortes e álcalis fortes, além de ter um ponto de fusão extremamente alto.

Contatos eletrônicos especiais: Em microcontatos eletrônicos , o ouro resiste à erosão do arco ; a prata resiste à inibição da eletromigração ; e a platina resiste à oxidação por altas temperaturas . Esses metais nobres também estão sendo utilizados em contatos de relés aeroespaciais e conectores supercondutores de platina em máquinas de ressonância magnética nuclear.

Dispositivos biomédicos para pesquisa: Sensores implantados (ouro), dispositivos de liberação de medicamentos anticâncer de platina e superfícies antibacterianas de prata.

Ligas de cobre (cobre puro, CuCrZr)

Altamente condutoras de eletricidade e calor, são utilizadas em peças de motores, dissipadores de calor, trocadores de calor e bobinas de indução. A liga de cobalto-cromo (CoCrMo) é extremamente resistente ao desgaste e extremamente biocompatível, sendo utilizada em restaurações dentárias e em certos implantes ortopédicos.

Processos apropriados: SLM (parâmetros especiais necessários), BJ (metais valiosos) e DED (cobre).

Perguntas frequentes

1. A resistência dos componentes metálicos impressos em 3D será semelhante à dos componentes forjados?

Sim. A otimização adequada dos processos pós-tratamento, por exemplo, por tratamento térmico, pode fazer com que as peças metálicas resultantes, produzidas por processos como SLM ou EBM, atinjam e até superem, em termos de resistência e fadiga, as peças forjadas tradicionais.

2. É possível substituir completamente a fabricação convencional (por exemplo, fundição e CNC ) pela impressão 3D metálica?

Ainda não, não é possível. É melhor para formas complexas, personalização para produção em curto prazo e ligas difíceis de usinar . A produção em massa de peças comuns, no entanto, é menos custosa e mais rápida com métodos convencionais, e ambos os processos são complementares.

3. O metal impresso em 3D precisa de pós-processamento?

Sim, com raríssimas exceções, todos os componentes metálicos impressos em 3D exigem pós-processamento. Os processos comuns associados à impressão 3D de metais incluem remoção da estrutura de suporte, alívio de tensões, tratamento térmico, acabamento de superfície (usinagem, polimento, jateamento de areia ) e HIP (com o objetivo de melhorar a densidade e eliminar poros).

4. A impressão 3D em metal é mais cara devido ao custo do material?

Seu custo costuma ser significativamente maior do que o da barra ou bloco de metal com o qual seria fabricado. Acrescenta um valor considerável ao custo de uma impressão 3D em metal , embora sua relação custo-benefício geral precise ser avaliada como um todo, juntamente com sua liberdade de design e seu papel de economia de material.

Resumo

A biblioteca de materiais metálicos para impressão 3D continua a crescer exponencialmente, desde ligas convencionais de titânio, ligas de alumínio, aço inoxidável e ligas de alta temperatura, passando por aços para ferramentas raros, metais nobres e ligas de cobre. Cada um deles oferece, em uma combinação individual, uma seleção de propriedades como resistência, leveza, capacidade para altas temperaturas, resistência à corrosão, condutividade elétrica, capacidade térmica e biocompatibilidade para aplicações específicas de alta tecnologia. Tecnologias inovadoras permitem o processamento eficiente desses materiais em geometrias altamente complexas, impossíveis por meio de processos convencionais, alterando o design e o protótipo , além de fabricar componentes de alto desempenho.

Quando a sua dificuldade é criar um design inovador, ou o desafio é a leveza, a redução do prazo de entrega ou a usinagem de materiais difíceis de cortar, a impressão 3D em metal e a seleção de materiais são soluções poderosas. Um profundo conhecimento das propriedades e aplicações dos seus materiais é a chave para desbloquear essa tecnologia inovadora para criar e diferenciar. Selecionar o metal certo nos abre para uma capacidade infinita de manufatura aditiva!

Diante desses desafios ainda maiores, o serviço de impressão 3D da LS é a sua "ferramenta" indispensável. Ele representa precisão de nível industrial, repetibilidade incomparável e produtividade eficiente, permitindo que suas ideias de design sejam concretizadas com perfeição, consistência e eficiência. Escolher a LS é injetar precisão de nível industrial ao seu extraordinário trabalho artesanal.

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