Os pesquisadores ainda não transformaram a fabricação aditiva, ou impressão 3D, de metais em uma ciência completa. Lacunas em nossa compreensão do que acontece no metal durante o processo tornaram os resultados inconsistentes. Mas um novo avanço poderia garantir um nível de domínio sem precedentes sobre a impressão 3D de metal.

Usando duas instalações diferentes de aceleradores de partículas, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), do Instituto Real de Tecnologia KTH na Suécia e de outras instituições examinaram a estrutura interna do aço à medida que ele era derretido e depois solidificado durante a impressão 3D. As descobertas, publicadas na  Acta Materiali ,  revelam uma ferramenta computacional para profissionais de impressão 3D, oferecendo-lhes uma maior capacidade de prever e controlar as características das peças impressas, melhorando potencialmente a consistência e a viabilidade da tecnologia para fabricação em larga escala.  

Uma abordagem comum para imprimir peças de metal envolve essencialmente soldar poças de metal em pó com lasers, camada por camada, no formato desejado. Durante as primeiras etapas da impressão com uma liga metálica, em que o material aquece e esfria rapidamente, seus átomos – que podem ser um punhado de elementos diferentes – se agrupam em formações cristalinas ordenadas. Os cristais determinam as propriedades, como tenacidade e resistência à corrosão, da peça impressa. Podem surgir diferentes estruturas cristalinas, cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens.

“Basicamente, se pudermos controlar a microestrutura durante as etapas iniciais do processo de impressão, então poderemos obter os cristais desejados e, em última análise, determinar o desempenho das peças fabricadas aditivamente”, disse Fan Zhang, físico do NIST, coautor do estudo.

Embora o processo de impressão desperdice menos material e possa ser usado para produzir formas mais complicadas do que os métodos tradicionais de fabricação, os pesquisadores têm lutado para entender como direcionar o metal para determinados tipos de cristais em detrimento de outros. 

Esta falta de conhecimento levou a resultados menos do que desejáveis, como peças com formas complexas que quebram prematuramente graças à sua estrutura cristalina. 

“Entre os milhares de ligas comumente fabricadas, apenas algumas podem ser fabricadas usando manufatura aditiva”, disse Zhang.

Parte do desafio para os cientistas é que a solidificação durante a impressão 3D do metal ocorre num piscar de olhos. 

Para capturar o fenômeno de alta velocidade, os autores do novo estudo empregaram poderosos raios X gerados por aceleradores de partículas cíclicas, chamados síncrotrons, na Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne   e na  Swiss Light Sourc do Instituto Paul Scherrer . 

A equipe procurou aprender como as taxas de resfriamento do metal, que podem ser controladas pela potência do laser e pelas configurações de movimento, influenciam a estrutura do cristal. Em seguida, os pesquisadores comparariam os dados com as previsões de um modelo computacional amplamente utilizado, desenvolvido na década de 80, que descreve a solidificação de ligas. 

Embora o modelo seja confiável para processos de fabricação tradicionais, o júri decidiu sobre sua aplicabilidade no contexto único das rápidas mudanças de temperatura da impressão 3D. 

“Os experimentos síncrotron são demorados e caros, então você não pode executá-los para todas as condições de seu interesse. Mas eles são muito úteis para validar modelos que você pode usar para simular as condições interessantes”, disse a coautora do estudo, Greta. Lindwall, professor associado de ciência e engenharia de materiais no KTH Royal Institute of Technology.

Dentro dos síncrotrons, os autores estabeleceram condições de fabricação aditiva para aço para ferramentas para trabalho a quente – um tipo de metal usado para fabricar, como o nome sugere, ferramentas que podem suportar altas temperaturas. 

À medida que os lasers liquefaziam o metal e surgiam diferentes cristais, os feixes de raios X sondavam as amostras com energia e velocidade suficientes para produzir imagens do processo fugaz. Os membros da equipe precisaram de duas instalações separadas para suportar as taxas de resfriamento que queriam testar, que variavam de temperaturas de dezenas de milhares a mais de um milhão de Kelvins por segundo. 

Os dados coletados pelos pesquisadores retrataram o empurrão e a tração entre dois tipos de estruturas cristalinas, a austenita e a ferrita delta, sendo esta última associada a rachaduras em peças impressas. À medida que as taxas de resfriamento ultrapassaram 1,5 milhão de Kelvins (2,7 milhões de graus Fahrenheit) por segundo, a austenita começou a dominar seu rival. Este limiar crítico alinhou-se com o que o modelo previu. 

“O modelo e os dados experimentais estão perfeitamente de acordo. Quando vimos os resultados, ficamos muito entusiasmados”, disse Zhang. 

O modelo tem sido uma ferramenta confiável para design de materiais na fabricação tradicional, e agora o espaço de impressão 3D pode ter o mesmo suporte. 

Os resultados indicam que o modelo pode informar cientistas e engenheiros sobre quais taxas de resfriamento selecionar para as primeiras etapas de solidificação do processo de impressão. Dessa forma, a estrutura cristalina ideal apareceria dentro do material desejado, tornando a impressão 3D de metal menos uma jogada de dados. 

“Se tivermos dados, podemos usá-los para validar os modelos. É assim que se acelera a adoção generalizada da manufatura aditiva para uso industrial”, disse Zhang.