Quais são os processos de manufatura aditiva de alumínio disponíveis?

Baixa densidade, alta resistência específica e rigidez, boa ductilidade, excelente condutividade elétrica e térmica e boa resistência à corrosão fazem com que as ligas de alumínio sejam os materiais estruturais leves preferidos para aplicações aeroespaciais, de transporte e marítimas. À medida que os ciclos de desenvolvimento de produtos se encurtam, os processos convencionais de fusão, fundição e forjamento enfrentam cada vez mais dificuldades para atender à demanda por componentes complexos de precisão. A fabricação deve ser eficiente, responder rapidamente às mudanças no projeto e adaptar-se com flexibilidade a geometrias complexas.

A manufatura aditiva constrói peças físicas camada por camada. Nos setores aeroespacial, biomédico e de transporte ferroviário, ela permite a produção rápida de peças únicas ou em pequenos lotes, maior liberdade de projeto, personalização de formas complexas e redução do tempo de lançamento no mercado, ao mesmo tempo em que supera algumas limitações de escala dos métodos convencionais.

Os processos de manufatura aditiva de alumínio são classificados principalmente de acordo com o princípio de funcionamento e a fonte de calor: manufatura aditiva a laser, por feixe de elétrons, por arco, por ultrassom e por fricção-agitação. Cada um deles apresenta características de processo distintas.

Fabricação aditiva a laser de ligas de alumínio

A manufatura aditiva a laser utiliza uma fonte de calor a laser e oferece alta precisão de conformação, relativamente poucos defeitos internos e boas propriedades mecânicas. Normalmente, utiliza pó de liga de alumínio. Espaços irregulares entre as partículas de pó podem reduzir a densidade da peça, enquanto a alta refletividade do laser na maioria das ligas de alumínio reduz a eficiência energética. O método é, portanto, utilizado principalmente para ligas de alumínio fundidas ou ligas com boa soldabilidade.

As duas principais variantes são a deposição por fusão a laser com alimentação sincronizada de pó metálico e a fusão a laser em leito de pó. A primeira fornece o pó continuamente; a segunda funde com precisão camadas sucessivas em um leito de pó para formar estruturas complexas.

As ligas de Al-Si apresentam boas propriedades de fundição e conformação a quente e são amplamente estudadas. Pesquisadores da Universidade de Xi’an Jiaotong otimizaram a potência do laser, a velocidade de varredura e o espaçamento entre traços para a fusão seletiva a laser de AlSi10Mg e introduziram um modelo de densidade de energia que descreve a relação entre a entrada de energia e a densidade. Na faixa de 4,0 a 6,0 J/mm², a densidade ultrapassou 98%. O Instituto de Pesquisa Metalúrgica da Academia Chinesa de Ciências produziu amostras de AlSi10Mg com densidade de 99,63% e boas propriedades mecânicas, e comparou tratamentos térmicos para o material orientado paralelamente à placa de impressão. A resistência à tração horizontal do material recém-depositado atingiu 478 MPa, o alongamento foi de cerca de 8% e a dureza média foi de cerca de 122 HV. Após envelhecimento a 130 °C por 4 horas, as poças de fusão mantiveram uma estrutura de silício completa em forma de rede. A plasticidade aumentou para cerca de 11,9%, mantendo-se a alta resistência, e a dureza média aumentou para 133 HV, cerca de 9% acima do valor no estado de deposição.

O processamento a laser de ligas de alumínio de alta resistência das séries 2xxx e 7xxx continua sendo um desafio. Pesquisadores estão reduzindo defeitos internos e melhorando as propriedades mecânicas por meio da otimização de parâmetros, nucleantes de nanopartículas, modificação da composição e pós-processamento. Em experimentos de fusão a laser em leito de pó utilizando pós 7075 com diferentes teores de silício, o refinamento de grãos induzido pelo silício reduziu significativamente as microfissuras.

Fabricação aditiva por feixe de elétrons de ligas de alumínio

A manufatura aditiva por feixe de elétrons é dividida, de acordo com o material de alimentação, em fusão em leito de pó por feixe de elétrons e manufatura aditiva por alimentação de fio por feixe de elétrons.

A fusão em leito de pó por feixe de elétrons utiliza um feixe de elétrons como fonte de calor em ambiente de vácuo. A varredura em alta velocidade aquece e funde o pó metálico camada por camada para formar uma peça. A manufatura aditiva por feixe de elétrons com alimentação de fio funde o fio fornecido de forma síncrona com um feixe de alta energia e o deposita camada por camada ao longo de um trajeto definido por CAD até que um componente denso seja formado. Como a absorção do feixe de elétrons é mais do que o dobro da de um feixe de laser, a tecnologia possui um potencial considerável para ligas de alumínio de alta resistência.

As pesquisas ainda são limitadas e concentram-se principalmente em processos de feixe de elétrons com alimentação por fio. O Centro de Pesquisas Langley da NASA estudou a janela de processamento da liga de alumínio 2219 e os efeitos da velocidade de deslocamento, da taxa de alimentação do fio e da potência do feixe na microestrutura e nas propriedades mecânicas. Brice, da Lockheed Martin Space Systems, produziu amostras de alumínio 2139 por meio da deposição de energia direcionada por feixe de elétrons e avaliou como a evaporação do magnésio afetou a precipitação e o desempenho mecânico; a perda de magnésio atingiu 65% durante a deposição. Pesquisadores da Universidade de Tsinghua estudaram o processamento por leito de pó com feixe de elétrons da liga de alumínio 2024. A corrente do feixe e a velocidade de varredura afetaram significativamente a densidade relativa e a microestrutura. Precipitados contendo cobre, manganês e ferro se formaram ao longo dos limites de grão na matriz de α-Al. Parâmetros adequados produziram resistência à tração de até 314 MPa e alongamento de 6%.

Fabricação aditiva por arco de ligas de alumínio

A manufatura aditiva por arco constrói peças camada por camada com uma fonte de calor por arco e alimentação sincronizada de fio. A alta utilização do material, o custo relativamente baixo do equipamento e uma ampla área de construção tornam essa tecnologia adequada para estruturas grandes e complexas. No entanto, a elevada entrada de calor na soldagem, aliada à qualidade superficial e precisão relativamente baixas, normalmente exigem um pós-processamento substancial. Reduzir a entrada de calor para melhorar a precisão e a qualidade da superfície é um dos principais objetivos da pesquisa.

As pesquisas sobre as ligas das séries 6xxx e 7xxx são relativamente limitadas. A soldagem a arco com gás metálico e a soldagem a arco com gás tungstênio conseguiram depositar com sucesso as ligas 4047, 5356, 2024 e 7075. As amostras apresentaram maior resistência à tração do que as amostras produzidas convencionalmente, além de grãos mais finos.

A transferência de metal frio também produziu amostras de ligas de alumínio 2319, 5087 e 5183 com grãos finos, poucos poros e propriedades mecânicas aprimoradas. Nos depósitos por transferência de metal a frio da liga de alumínio 5336, quase não foram observadas estruturas de grãos equiaxiais ou colunares, e o tamanho dos grãos diminuiu com a entrada de calor. A entrada de calor determina a geometria, a microestrutura, os defeitos e as propriedades mecânicas e químicas. O aquecimento e o resfriamento irregulares durante a deposição em múltiplas camadas, especialmente com alta entrada de calor, podem causar acúmulo de calor, grãos grossos, tensão residual e distorção. O processamento bem-sucedido requer o controle da corrente, da tensão, da velocidade de alimentação do fio, da velocidade de deslocamento e de outras variáveis.

Fabricação aditiva por ultrassom de ligas de alumínio

A manufatura aditiva por ultrassom utiliza energia ultrassônica de alta potência. A vibração e o atrito entre as camadas de folha de liga de alumínio geram calor, promovem a difusão atômica interfacial e criam uma ligação metalúrgica no estado sólido.

Pesquisadores da Universidade de Tohoku, no Japão, estudaram a microestrutura e a distribuição interfacial na fabricação aditiva por ultrassom da liga de alumínio 6061. A interface exerce um efeito significativo sobre a microestrutura, pois a força motriz da recristalização produz mudanças de fase microscópicas na região interfacial, e poros se formam na interface.

A operação em baixa temperatura evita a evaporação dos elementos de liga e preserva as propriedades da junta, tornando o processo especialmente adequado para o alumínio. As restrições à exportação de equipamentos avançados e a pesquisa nacional limitada deixam um grande potencial de pesquisa. Ainda não foi estabelecido um modelo teórico completo para a difusão atômica na interface do material, e não existe uma estrutura unificada que descreva a deformação plástica interfacial e o aquecimento por atrito. O desenvolvimento adicional é importante para a precisão, a eficiência e a comercialização.

Fabricação aditiva por agitação por atrito de ligas de alumínio

A manufatura aditiva por agitação por atrito foi desenvolvida a partir da soldagem por agitação por atrito. Uma ferramenta que gira rapidamente penetra na chapa de alumínio e se desloca ao longo de uma direção pré-definida. O calor gerado pelo atrito plastifica e amolece o material, que flui atrás da ferramenta para preencher a cavidade e formar uma camada depositada. Em seguida, material adicional é empilhado e processado ao longo do mesmo trajeto. A fonte indica que as propriedades mecânicas resultantes podem rivalizar com as peças forjadas, mas parte dessa frase está incompleta.

Pesquisadores da Universidade Politécnica do Noroeste introduziram a manufatura aditiva por agitação por atrito com ombro fixo e fabricaram com sucesso componentes de liga de alumínio 7075-O de alta resistência. Eles investigaram o comportamento do fluxo do metal durante a deposição e observaram variações significativas na microestrutura e nas propriedades mecânicas ao longo da direção de construção. Em comparação com a tecnologia convencional de agitação por atrito com ombro rotativo, o ombro fixo permanece imóvel enquanto o pino gira em alta velocidade durante a soldagem, eliminando assim a zona afetada pelo ombro e permitindo a fabricação com formato próximo ao final.

A manufatura aditiva por agitação por atrito de alumínio 2024 de alta resistência produziu uma estrutura recristalizada com grãos finos e equiaxiais. O tamanho dos grãos diminuiu da parte inferior em direção à parte superior da peça fabricada. A segunda fase se redissolveu; seu teor geral foi significativamente menor do que no substrato, mas aumentou da parte inferior para a parte superior. Embora evitar a fusão e a solidificação reduza consideravelmente os defeitos internos, parâmetros de processo inadequados ainda podem criar defeitos interfaciais.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Pequim analisaram o mecanismo de formação da manufatura aditiva por agitação por atrito para o alumínio 2024-O. Eles se concentraram nas diferenças direcionais nas propriedades mecânicas e em suas causas, e conseguiram uma deposição em múltiplas camadas e múltiplas passagens sem defeitos.

Tendências de desenvolvimento

A manufatura aditiva de alumínio apresenta grande potencial nas áreas militar e civil, pois permite a conformação complexa de alta precisão e o projeto de estruturas leves. As principais linhas de pesquisa incluem o desenvolvimento de novos processos e o estudo aprofundado das relações entre processo, microestrutura e propriedades. A pesquisa deve explicar a formação de tensões e controlar a magnitude e a distribuição das tensões residuais, especialmente em componentes grandes e complexos. Deve também esclarecer a transferência de massa, a solidificação fora do equilíbrio, o resfriamento, a metalurgia física e as transformações de fase em poças de fusão em microescala, de modo que a microestrutura possa ser controlada com precisão. Experimentos combinados com simulação numérica podem prever campos de temperatura e gerenciar zonas afetadas pelo calor. Equipamentos híbridos de manufatura aditiva e fresagem podem melhorar a precisão da conformação e proporcionar acabamento de precisão. Melhorias nos processos e equipamentos podem eliminar a porosidade, aumentar a densidade e melhorar as propriedades mecânicas gerais, levando a tecnologia a um nível superior de precisão, eficiência e funcionalidade.