Resumo de Tecnologias Avançadas PDF

Resumos de Tecnologias Avançadas Resultados Esperados: Compreender a diferença entre os vários processos de Manufatura Aditiva empregando polímeros, cerâmicos, metais e nano-materiais, de uso comum na Manufatura Aditiva (AM). Analisar diferentes técnicas de cara...

Resumos de Tecnologias Avançadas Resultados Esperados: Compreender a diferença entre os vários processos de Manufatura Aditiva empregando polímeros, cerâmicos, metais e nano-materiais, de uso comum na Manufatura Aditiva (AM). Analisar diferentes técnicas de caracterização. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1. Introdução Manufatura Aditiva – manufatura por camadas A Manufatura Aditiva (AM), também designada por técnica de impressão 3D, prototipagem rápida, ou fabrico de forma livre (freeform), é um processo de junção de materiais com o propósito de fabricar objetos a partir de modelos tridimensionais, por justaposição de camadas, numa lógica contrária às metodologias de manufatura subtrativa, como a maquinagem. - efeito da espessura de camada no acabamento superficial de uma peça produzida por Manufatura Aditiva. Processo de Manufatura Aditiva Genérico 1. CAD 2. Conversor STL 3. Transferência para o equipamento 4. Setup do equipamento 5. Construção 6. Extração e pós-processamento 7. Aplicação/uso/utilização - a distinção entre Manufatura Aditiva e Maquinagem por CNC é os resíduos provenientes. → materiais, velocidades, facilidade de utilização, exatidão dimensional, limitação de dimensões (atravancamento máximo) e complexidade geométrica, programação, custo, impacto ambiental. Vantagens de Manufatura Aditiva “eliminação” de restrições de projeto. Possibilidade de produção de geometrias complexas, sem custos adicionais, tendo presente a sua complexidade (i.e., a complexidade não tem impacto nos custos). Velocidade de fabrico; redução de tempos de espera. Flexibilidade do projeto. Custos de pós-processamento baixos. Exatidão dimensional em crescimento progressivo. 1  Ampla gama de materiais (polímeros, metais, cerâmicos). Adequada à manufatura de componentes de substituição ou destinados à reparação de soluções originais. Menor impacto ambiental no fabrico de componentes; limpeza, produção baixa de resíduos. Limitações da Manufatura Aditiva Dimensão das peças. Produção em série: a MA é particularmente adequada à produção unitária ou então dirigida à produção de pequenas séries, não se adequando assim à produção em massa. Contudo, já é possível efetuar a produção de pequenas séries (25k/ano) com vantagens competitivas. 8 Fases de Manufatura Aditiva Fase #1: Conceptualização e CAD 1. O processo CAD genérico tem início a partir de informação gerada num software CAD. 2. As entidades geradas (com interesse) são sólidos e superfícies. 3. O formato de escrita (extensão) é muito variado (*.SLDPRT,*.IAM,*.BMP,*.IGES,*.SAT,*.STEP,) Fase #2: Conversão para formato STL 1. A origem do formato é a tecnologia STereoLithography. 2. Trata-se de um formato simples para descrição de um modelo CAD em termos geométricos. 3. O sólido é aproximando por uma (série de) malha(s) constituída(s) por elementos/facetas triangulares. 4. A sequencia nodal indica a normal de cada faceta, permitindo assim identificar o contorno do domínio. 5. A estratégica de discretização do domínio da peça pode ser definida/alterada pelo utilizador. 6. Em muitas ferramentas de software (pacotes) CAD este processo é automático. 7. Muitas ferramentas CAD dispõe de comandos para realizar operações de correção geométrica. Fase #3: Transferência e manipulação de ficheiros STL no equipamento de AM 1. O ficheiro STL pode ser enviado diretamente para o equipamento. 2. Antes de se ter dado início à produção da peça tornar-se-á necessário conhecer a posição de um ponto de referência da peça no plano de trabalho. 2  3. É comum fabricar mais do que 1 peça igual na mesma sessão de fabrico (operadores de cópia) 4. As ferramentas de software dos sistemas de MA normalmente dispõem de um modo de visualização e de manipulação das peças. Fase #4: Preparação (setup) para a produção 1. O volume (atravancamento) disponível na área de trabalho do equipamento. 2. Os materiais a empregar no fabrico da(s) peças(s). 3. A espessura das camadas. 4. As opções definidas por defeito: altura da plataforma, sequência das camadas, padrão de preenchimento, estratégias de suporte. - termoplásticos, produção de componentes sob a forma amorfa (T>Tg), semicristalina (T>Tm – fusão) ou sob a forma de elastómero. - metais, produção de componentes com propriedades mecânicos superiores. - cerâmico técnicos, produção de componentes com resistência à abrasão e à ação térmica superiores. Fase #5: Construção Processos de Extrusão: Êmbolo – cerâmicos (cartuchos). Filamento – polímero (rolo). Parafuso – polímeros (granulados). FFF, Fused Filament Fabrication (moldação por deposição de fundido, camada a camada) FFF Forma de alimentação filamento Materiais de base Ampla gama de termoplásticos Deposição 2,3 g/h – 113,4 g/h Resolução Camadas: 0,15-0,25mm recomendada Filamentos: 0,4-0,8mm 3 FGF, Fused Granular Fabrication (deposição granulado plástico fundido, cama. a cama.) FGF Forma de alimentação granulado Materiais de base Gama ainda mais ampla de termoplásticos Deposição 226,8 g/h – 9072 g/h Resolução Camadas: 1-5mm recomendada Filamentos: 4-10mm Processo de Binder Jet 3D Printing Descrição do Processo: deposição seletiva de ligantes líquidos numa camada muito fina de pó, camada a camada, para produção de pelas de grande valor acrescentado. Processo: 1. Deposição do pó 2. Projeção de jato 3. Projeção por camada 4. Recobertura de camada 5. Repetição de processo 6. Finalização 7. As tecnologias à base de jato, contrariamente às tecnologias laser, dispensam a criação de uma atmosfera de controlo. São também mais económicas. Também permite realizar a troca de pós metálicos, por outras lidas, com rapidez. BJ – Binder Jetting Descrição do Processo: aglomeração de pó com agente ligante monocromático. Processo com base na tecnologia de jato: em particular pós-metálicos, grande flexibilidade no fabrico de formas e requer operações de acabamento. 4  Efeito da taxa de compactação do pó CJP – Color Jet Printing Descrição do Processo: aglomeração de pó com agente ligante colorido (policromático), camada a camada. Processo com base na tecnologia de jato: em particular pós metálicos, grande flexibilidade no fabrico de formas e requer operações de acabamento. 5 3DSP – 3D Sand Printing Descrição do Processo: aglomeração de areia com agente ligante, camada a camada. Processo com base na tecnologia de jato: em particular areia fina e um ativador, grande flexibilidade no fabrico de formas e requer operações de acabamento. DLP – Digital Light Processing; Moving Light Descrição do Processo: solidificação polimérica por projeção e reflexão de feixe laser, camada a camada. (SLA invertido) – solidificação polimérica por retroprojeção e reflexão de feixe laser, camada a camada. Processos com base na tecnologia de polimerização em tina: foto polímeros líquidos (resinas), posteriormente curadas com luz UV. Flexibilidade moderada no fabrico de formas e requer operações de acabamento. DLMS – Direct Laser Metal Sintering (sinterização laser de matais porosos) Processos com base na tecnologia laser (direta) – grande flexibilidade no fabrico de formas e requer operações de acabamento. Pós Metálicos o Aço inox – automóvel o Ligas de titânio – aerospacial o Ligas de alumínio – agrícolas, soluções de rega 6  o Ligas de crómio ou cobalto – biomédica o Tungsténio – aerospacial e automóvel Sinterização – aglomeração e compactação de pós ou partículas muito pequenas, a altas temperaturas, mas abaixo da temperatura de fusão, para obter peças sólidas. EBF3 – Electron Beam Freeform Fabrication Descrição do Processo: fusão continua de fio metálico através de feixe laser em câmara de vácuo. Processos com base na tecnologia laser (direta) – adequada ao fabrico de perfis de secção constante (metais) e requer operações de acabamento. EBMF3 – Electron Beam Melting Descrição do Processo: fusão de pós metálicos em câmara de vácuo através de feixe laser. Processos com base na tecnologia laser (direta) – grande flexibilidade no fabrico de formas, requer operações de tratamento térmico, propriedades mecânicas superiores às da fundição e pressão Isostática (HIP) para melhorar a resistência à fadiga de ligas de Titânio. Funcionamento do LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Monocromático – comprimento de onda fixo (só se conhecem de cor verde, 500- 565nm, e vermelha, 625-740nm), Isto resulta num comprimento de onda da 7  luz/energia que se liberta quando um eletrão perde energia (i.e., é despromovido de determinado nível de energia (superior) para o nível de energia fundamental). Coerente – o padrão de luz é organizado (comprimento de onda não varia no espaço na fase de propagação da mesma), independentemente do comprimento de onda que o caracteriza. Direcional – é um feixe de luz concentrado, dirigido e bem preciso, de radiação eletromagnética. Se este processo for massificado, p.e., por incidência de uma luz intensa (flash light), passamos a ter uma maior quantidade de eletrões no estado excitado do que no estado fundamental – inversão de população. Todos os eletrões passarão a emitir energia em resultado da passagem ao estado fundamental. Este processo é acompanhado da emissão de fotões com um comprimento de onda específico. Esta emissão, massificada, conduz a libertação de mais fotões, por estímulo eletrónico de outros eletrões, que passam para o estado fundamental – emissão estimulada. Descrição do Processo de Funcionamento: 1. Fonte de energia > Interruptor: lâmpada flash (liga e desliga a luz) > Excitação de eletrões na estação rubi. 2. O retorno de eletrões ao nível de energia fundamental gera fotões: emissão estimulada. 3. Fotões oscilam no meio (haste de rubi), entre os dois espelhos > excitação de novos eletrões > inversão de população. 4. A oscilação de fotões é medianamente contida entre os dois espelhos > passagem de alguns fotões pelo espelho com menor índice de reflexão. 8  5. Feixe de fotões com comprimento de onda definido, com direção e sentido bem definido. Tipos de Laser (são diferenciados pela natureza do “meio”): o Sólido – um rubi ou um material cristalino com um enrolamento tubular (lâmpada flash) para excitação de eletrões. O rubi ou semicondutores são dotados com impurezas para produzir luz com uma dada frequência e comprimento de onda. o Gasosos – o meio é constituído por hélio ou hélio-néon, sendo a cor a sua característica. Também há lasers de CO2, que emitem energia com comprimento de onda no registo IV (780nm-1mm). São lasers de grande potência, sendo por isso usados industrialmente em operações de corte e soldadura. o Líquidos – impregnam compostos (orgânicos) de rodamina (corante) numa solução aquosa. A excitação dos eletrões faz-se através de uma lâmpada flash, ou outro laser. São também designados lasers de corante líquido. Produzem uma maior gama de frequências de luz, sendo por isso empregues em muitas aplicações. o Semicondutores – são designados por lasers díodos, sendo que tiram partido da tecnologia LED para gerar luz de padrão monocromático. São usados numa grande variedade de dispositivos eletrónicos de uso corrente (têm custo reduzido) como em scanners para leituras de códigos de barras ou em impressores. As primeiras fases dos processos de Manufatura Aditiva são semiautomáticas, requerendo algum controlo manual, interação e tomada de decisão consoante o caso (i.e., não dispensam a ação humana). Segue-se a fase de construção propriamente dita, que se caracteriza pelo controlo automático de operações (movimentos sincronizados controlados por computador). Os fabricantes de equipamento empregam as mesmas rotinas padrão para controlar: o A deposição de camadas. o A altura da plataforma de construção. o O escoamento/deposição de material. o E preenchimento solido. Fase #6: Extração e Limpeza da Peça Os procedimentos a adotar nas operações de limpeza vão depender das tecnologias de manufatura aditiva que tiverem sido empregues. PVA (álcool polivinílico) – facilmente removido, pois é solúvel em água. 9  HIPS (high impact polystyrene) – poderá ser empregue, também, como material de construção e é solúvel em limonene (hidrocarboneto alifático) Próprio material de construção – fratura nos pontos de contacto (redução da secção na interface suporte – peça). Tecnologias de Jato e Laser -> aspiração, escovagem delicada, projeção de ar comprimido, Tecnologia Laser -> aspiração e escovagem Fase #7: Pós-processamento O pós-processamento em contexto industrial é considerado o “gargalo de produção” da Manufatura Aditiva (MA). Tem de ser enquadrado numa logica de automatização de processos tecnológicos. Há empresas que desenvolvem soluções especificas. Algumas soluções consistem em aplicar solves químicos na superfície da peça (VaporFuse Surfacing, VFS), reduzindo assim a porosidade superficial. Estas peças tornam-se impermeáveis, ficando com a aparência de peças produzidas por injeção. A tecnologia VFS é aplicável tanto em polímeros rígidos (PA11 ou PA12) como em termoplásticos poliuretano (TPU). Soluções Destinadas: Limpeza superficial (chips de plástico ou cerâmicas e de porcelana) – FDM, FGF, tecnologias de jato e de polimerização em tina. Polimento superficial (chips de plástico ou cerâmicas e de porcelana) – FDM, FGF, tecnologias de jato e de polimerização em tina. Amaciamento superficial Pintura superficial (ainda que profunda) Também pode ser visto numa perspetiva de melhoria de propriedades mecânicas do material (cura) Resinas poliméricas (acrílicas e epoxídicas) o Destaque e limpeza de peças (acetona ou álcool isopropílico) o Caracteriza-se pela exposição da peça a ciclos de cura a elevadas temperaturas (200-260ºC) por períodos de tempo compreendidos entre 6-10 horas. Aço inox, bronze ou tungsténio o Infiltração e/ou sinterização o Estágio da peça (EBF3, DMLS, EBFF3) no interior de um forno a 900- 1400ºC (cama de grafite e bronze – powder bed). 10 Fase #8: Aplicação/Uso/Utilização Gases Inertes (DMLS) “inerte” significa “quimicamente estável”. Ambiente de gás inerte é indispensável para o processo de fundição em leito de pó. Impede contaminação das peças metálicas, preservando as propriedades mecânicas. Oferece boa proteção a contaminantes (O2 e CO2). Inertes comuns; Ar e N. o Azoto (N) – não reage com os metais ativos (ligas de Ti), pode ser administrado em circuito fechado, pode ser filtrado/purificado e é muito abundante. Problemáticas do processo de fusão induzido pelo feixe laser: Resumo de DMLS Emprega uma grande variedade de metais: aço inox, ligas metálicas (Su,Sn,Al,Mn,Ni,Zn) e outras ligas como o cromo-cobalto e inconel (família de superligas austeníticas à base de Ni-Cr) Permite fabricar componentes mecânicos (densidade elevada) de grande detalhe, altamente resistentes. Permite, igualmente, produzir peças que ficarão expostos a temperaturas elevadas. Dispensa o emprego de agentes ligantes. 11  Princípio – varrimento laser (camada a camada de 20 ou 40 μm), com laser gasoso (CO2), no interior de câmara com gás inerte, o que permite o aquecimento e a fusão dos pós metálicos (200W). Pós-processamento – extração da peça do espaço de trabalho (pós metálicos) e remoção do material de suporte. Peças – grande liberdade na criação de formas geométricas complexas (cavidades e reentrâncias). Overhang angle – soluções sem suporte EBF3 A produção de peças ocorre no interior de uma câmara de vácuo, a elevada temperatura. 12