Lição 8.4MoldarCapítulo 8 · Manufatura aditiva

Fusão em leito de pó a laser (metal, SLM/DMLS)

Um laser funde finas camadas de pó de metal (fusão em leito de pó)

A fusão em leito de pó a laser (LPBF) funde pó fino de metal com um laser, uma camada fina por vez, para construir peças metálicas totalmente densas. Os fabricantes de máquinas a chamam de SLM (selective laser melting) ou DMLS (direct metal laser sintering). Importa porque faz formas metálicas que nenhuma ferramenta de corte ou molde conseguiria, como peças de motores de foguete com canais de refrigeração por dentro.

Foto: Matti Blume, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Câmara de fusão em leito de pó metálico em corte: fluxo de argônio, laser, lâmina, suportes e mesa de construçãoOs números circulados correspondem às etapas abaixo; as etapas 3 a 5 se repetem milhares de vezes.

Como funciona

Fatie e adicione suportes. O software fatia o modelo em camadas muito finas e adiciona suportes (finas escoras de metal). Eles ancoram as saliências à mesa de construção e levam o calor embora para que a peça não empene.
Encha de argônio. A câmara é selada e purgada com argônio ou nitrogênio, gases inertes que impedem o metal quente de oxidar. Um fluxo constante de gás varre a fumaça e os respingos (minúsculas gotas quentes) para fora do caminho do laser.
Espalhe uma camada. O pistão de alimentação sobe, e uma lâmina recobridora espalha pó de metal sobre a mesa de construção, normalmente com 0,02–0,06 mm de espessura.
Funda a fatia. Um laser de fibra, normalmente de 200–1.000 W, traça a fatia. Ele funde o pó em uma minúscula poça de fusão que solidifica quase instantaneamente, soldando-se à camada de baixo.
Desça e repita. A mesa de construção desce uma camada e o ciclo se repete, muitas vezes milhares de vezes ao longo de um ou mais dias.
Finalize a peça. Ainda na mesa, as peças recebem um tratamento térmico de alívio de tensões (aquecimento lento que relaxa as tensões presas). Depois são cortadas, os suportes são removidos, e muitas seguem para HIP (prensagem isostática a quente, lição 9.3) e usinagem.

Dados-chave

Materiais: Ligas de titânio (Ti-6Al-4V), aços inoxidáveis e aços-ferramenta, superligas de níquel (Inconel), alumínio (AlSi10Mg), cobalto-cromo, ligas de cobre
Peças típicas: Injetores de motores de foguete, peças de turbinas e de sistemas de combustível, implantes médicos, coroas dentárias, moldes com canais de refrigeração, trocadores de calor
Tamanho da peça: Normalmente 25–40 cm por lado; as maiores máquinas passam de 1 m
Precisão: Cerca de ±0,1 mm como impressa; as faces críticas são usinadas depois
Acabamento superficial: Fosca e levemente rugosa, como lixa fina; mais rugosa nas superfícies voltadas para baixo; muitas vezes jateada, polida ou usinada
Tamanho de lote adequado: De 1 a alguns milhares de peças por ano; melhor quando cada peça é complexa e valiosa
Custo de ferramental e máquinas: Sem ferramental; as máquinas custam de várias centenas de milhares a alguns milhões de dólares
Velocidade: Lenta: as construções muitas vezes levam de um a vários dias

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Formas impossíveis de usinar ou fundir: canais internos, treliças, formas orgânicas
Metal totalmente denso, comparável a metal fundido ou forjado depois do tratamento térmico
Várias peças fundidas em uma só, economizando montagem e peso
Projetos leves vindos da otimização topológica (software que remove material desnecessário)

Limites

Máquinas, pó e pós-processamento muito caros
Precisa de suportes, que precisam ser cortados ou usinados
As tensões térmicas presas podem empenar as peças ou fazê-las trincar e se soltar da mesa
Lenta, com superfícies rugosas que muitas vezes precisam de usinagem

Onde é usado

EspaçoInjetores de motores de foguete, câmaras de combustão, peças de turbobombas
AeroespacialBicos de combustível de motores a jato, suportes, trocadores de calor
MedicinaCúpulas acetabulares de quadril e implantes de coluna com superfícies porosas, implantes sob medida
OdontologiaCoroas, pontes e estruturas de próteses de cobalto-cromo
FerramentariaMoldes de injeção com refrigeração conformal (canais que seguem a forma da peça)
AutomobilismoSuportes leves, montantes, peças de escapamento e hidráulicas

Como reconhecê-lo

Uma superfície metálica cinza fosca e levemente granulada, muitas vezes com leves linhas de camada.
Pequenas cicatrizes ou áreas rugosas nas superfícies voltadas para baixo, onde os suportes foram removidos.
Uma base plana, muitas vezes usinada, onde a peça foi cortada da mesa de construção.
Formas orgânicas, treliças ou canais internos que nenhuma broca ou molde conseguiria produzir.

Compare com

Sinterização seletiva a laser8.3a mesma ideia de leito de pó com náilon; não precisa de suportes, mas só faz peças de plástico.Jateamento de ligante (binder jetting)8.5cola o pó de metal em vez de fundi-lo, depois o sinteriza em um forno; mais barato por peça, mas as peças encolhem.Deposição por energia direcionada (DED)8.7alimenta pó ou arame em uma poça de fusão a laser; constrói ou repara peças maiores, com detalhes mais grosseiros.

Assista

RAPID DIRECT · O fluxo de trabalho completo da SLM, explicado para iniciantes

Billy Wu · Imagens em close de uma peça sendo construída

3D Distributed · Uma máquina em ação: laser, faíscas e recobridor

NASA's Marshall Space Flight Center · Peças impressas de motores de foguete na NASA

Veja fotos reais

Wikipedia: Fusão seletiva a laser — esquema do processo e fotos de peças metálicas impressas
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

A LPBF funde pó de metal com um laser em gás inerte, construindo peças totalmente densas camada por camada.
Faz peças metálicas complexas e leves que nenhum outro processo consegue, mas devagar e a alto custo.
Suportes, tratamento térmico, corte da mesa e muitas vezes usinagem fazem parte de todo trabalho.