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Impressora 3D para fabrico de peças de grandes dimensões em metal
João Miguel Henriques Silva
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientadores: Prof. António Manuel Relógio Ribeiro
Prof. Marco Alexandre de Oliveira Leite
Júri
Presidente: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis
Orientador: Prof. António Manuel Relógio Ribeiro
Vogal: Prof. Rogério Anacleto Cordeiro Colaço
Novembro de 2017
i
Agradecimentos
Em primeiro lugar quero agradecer aos meus orientadores, o Prof. Marco Leite e o Prof. António Relógio
Ribeiro, pela disponibilidade, orientação, contribuição, ajuda e conhecimentos transmitidos na
concretização deste documento.
Ao Professor Rui Vilar, pela disponibilidade em poder trabalhar no sistema de deposição de pó assistido
por laser que me ajudou na compreensão do funcionamento do processo.
Aos meus colegas que me acompanharam e contribuíram no sucesso do meu percurso académico.
Por fim, os meus sinceros agradecimentos à minha família por todo o apoio e confiança durante estes
anos, principalmente nestes anos passados no Instituto Superior Técnico.
ii
Resumo
A manufatura aditiva consiste em processos de adição de material, camada após camada, no fabrico
de objetos tridimensionais. Trabalhos nesta área pretendem aumentar a qualidade e aumentar a
rapidez de processamento da peça, para diversos materiais. A impressão de peças de grandes
dimensões é um tema pouco explorado, no entanto é uma área de grande interesse industrial.
Atualmente, não é comercializado nenhum sistema que permita fabricar peças de grandes dimensões
sem comprometer a qualidade e rapidez de processamento das mesmas. Existem patentes publicadas
onde esta problemática é abordada, mas não para aplicações em metal.
Neste documento são levantadas, expostas e justificadas as características, sistemas, equipamentos
e parâmetros-chave fundamentais para o desenvolvimento de uma impressora 3D de LENS de
múltiplas cabeças de impressão independentes para o fabrico de peças de grandes dimensões em
metal.
De modo a obter um conhecimento próprio e prático do processo de LENS, é efetuada uma análise
crítica ao sistema de deposição de pó assistida por laser do Laboratório de Laser do Instituto Superior
Técnico da Universidade de Lisboa para a sua utilização em aplicações de manufatura aditiva. Para
tal, foi desenvolvido um nozzle coaxial contínuo de altura regulável com o feixe de laser do sistema.
Por fim, são apresentados conceitos de impressoras 3D de LENS de múltiplas cabeças de impressão
independentes para o fabrico de peças de grandes dimensões em metal considerando a informação
exposta ao longo do documento.
Palavras-chave
Manufatura aditiva, metal, LENS, múltiplas cabeças de impressão independentes, fabrico de peças de
grandes dimensões, nozzle coaxial contínuo.
iii
Abstract
Additive manufacturing consists of material addition processes, layer upon layer, in the manufacture of
three-dimensional objects. Developments in this area aim to increase the quality and reduce the build
time of the part, for several materials. The printing of large parts is an unexplored subject. However, it
is an area of great industrial interest. Currently, no system is being commercialized that allows to
manufacture large parts without compromising the quality and built time. There are registered patents
where this problem is addressed, but not for metal applications.
In this document, characteristics, systems, equipment and key parameters are exposed and justified for
the development of a multiple independent print head LENS 3D printer for the manufacture of large
metal parts.
To obtain a proper and practical knowledge of the LENS process, a critical analysis is performed on the
Laser Assisted Powder Deposition System of the Laser Laboratory of the Instituto Superior Técnico at
the University of Lisbon for its use in additive manufacturing applications. To achieve this, a continuous
coaxial nozzle of adjustable height with the laser beam of the system is developed.
Finally, concepts are presented of multiple independent print heads LENS 3D printers for the
manufacture of large metal parts considering the information exposed throughout the document.
Key-words
Additive manufacture, metal, LENS, multiple independent print heads, manufacture of large parts,
continuous coaxial nozzle.
iv
Índice
Agradecimentos .........................................................................................................................................i
Resumo .................................................................................................................................................... ii
Palavras-chave ......................................................................................................................................... ii
Abstract.................................................................................................................................................... iii
Key-words ................................................................................................................................................ iii
Índice ....................................................................................................................................................... iv
Índice de Figuras ................................................................................................................................... viii
Índice de Tabelas .....................................................................................................................................x
Lista de Símbolos .................................................................................................................................... xi
Abreviações ......................................................................................................................................... xi
Nomenclatura ..................................................................................................................................... xii
1. Introdução ........................................................................................................................................ 1
1.1. Motivação ................................................................................................................................ 1
1.2. Objetivos .................................................................................................................................. 2
1.3. Estrutura do documento .......................................................................................................... 2
2. Estado da arte ................................................................................................................................. 3
2.1. Tecnologias de processamento para metais ........................................................................... 3
2.1.1. Laminação de Folhas (Sheet Lamination) ....................................................................... 4
2.1.1.1. Manufatura de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing)...................... 5
2.1.1.2. Consolidação por Ultrassons (Ultrasonic Consolidation) ............................................ 5
2.1.2. Extrusão de Material (Material Extrusion) ....................................................................... 5
2.1.2.1. Modelação por Deposição de Fundido Metálico (Fused Deposition Modelling of Metal)
…………………………………………………………………………………………………6
2.1.3. Impressão 3D Aglutinante (Binder Jetting) ...................................................................... 6
2.1.4. Fusão por Cama de Pó (Powder Bed Fusion) ................................................................ 7
2.1.4.1. Sinterização Seletiva por Laser (Selective Laser Sintering) ....................................... 8
2.1.4.2. Fusão Seletiva por Laser (Selective Laser Melting) .................................................... 8
2.1.4.3. Fusão por Feixe de Eletrões (Electron Beam Melting)................................................ 8
2.1.5. Deposição por Energia Direcionada (Directed Energy Deposition) ................................ 9
2.1.5.1. Fabricação de Forma Final a Laser (Laser Engineered Net Shaping) ...................... 10
v
2.1.5.2. Fabricação em Formato Livre por Feixe de Eletrões (Electron Beam Freeform
Fabrication) ................................................................................................................................. 11
2.1.5.3. Manufatura Aditiva por Fio e Arco Elétrico (Wire and Arc Additive Manufacturing) .. 11
2.2. Fontes de calor: arco elétrico, feixe de eletrões e laser ........................................................ 12
2.2.1. Arco elétrico ................................................................................................................... 12
2.2.2. Feixe de eletrões ........................................................................................................... 12
2.2.3. Feixe de laser ................................................................................................................ 13
2.3. Formas do material de processamento: folha, fio e pó ......................................................... 15
2.4. Múltiplas cabeças de impressão ........................................................................................... 17
3. Características de uma impressora 3D com múltiplas cabeças independentes para metais ....... 21
3.1. Sistema de laser .................................................................................................................... 22
3.1.1. Fonte de potência .......................................................................................................... 22
3.1.2. Fibra ótica e conectores ................................................................................................ 24
3.1.3. Comutador e shutter ...................................................................................................... 25
3.2. Sistema ótico ......................................................................................................................... 26
3.2.1. Lente colimadora ........................................................................................................... 27
3.2.2. Lente focal ..................................................................................................................... 27
3.3. Sistema de alimentação ........................................................................................................ 28
3.3.1. Alimentador de pós ........................................................................................................ 28
3.3.2. Nozzle ............................................................................................................................ 30
3.4. Guias motorizadas ................................................................................................................. 32
3.5. Configurações de uma impressora 3D com múltiplas cabeças independentes ................... 33
3.6. Câmara fechada .................................................................................................................... 34
3.7. Sistemas de monitorização e CNC ....................................................................................... 35
3.7.1. Trajetória ........................................................................................................................ 35
3.7.2. Temperatura .................................................................................................................. 36
3.7.2.1. Termómetros de radiação ......................................................................................... 37
3.7.2.2. Pirómetros óticos ....................................................................................................... 38
3.7.2.3. Pirómetros acústicos ................................................................................................. 38
3.7.2.4. Termopares ............................................................................................................... 39
3.8. Cabeça de impressão completa ............................................................................................ 39
3.9. Parâmetros-chave do processo de LENS ............................................................................. 40
vi
3.9.1. Parâmetros combinados de densidade de energia e de deposição de pó ................... 42
3.9.1.1. Parâmetros combinados para feixes de laser contínuos .......................................... 42
3.9.1.2. Parâmetros combinados para feixes de laser pulsados............................................ 43
3.9.1.3. Influência dos parâmetros combinados ..................................................................... 44
3.9.2. Densidade de potência em função do tempo ................................................................ 44
3.9.3. Considerações finais ..................................................................................................... 45
4. Sistema de deposição de pó assistida por laser existente no CeFEMA ....................................... 46
4.1. Descrição dos equipamentos existentes no CeFEMA .......................................................... 46
4.1.1. Laser de fibra IPG YLR 200 AC .................................................................................... 46
4.1.2. Sistema ótico ................................................................................................................. 46
4.1.3. Alimentador de pós PLASMA TECHNIK AG TWIN 10 COMPACT .............................. 49
4.1.4. Nozzle lateral e respetivas guias linear e angular ......................................................... 50
4.1.5. Guias OWIS LTM 80F-150 ............................................................................................ 50
4.1.6. Câmara de luvas e antecâmara .................................................................................... 51
4.1.7. Sistema CNC ................................................................................................................. 52
4.2. Propostas de melhoramento ................................................................................................. 53
4.2.1. Sistema CNC ................................................................................................................. 53
4.2.2. Seleção do nozzle ......................................................................................................... 54
4.2.3. Isolamento das zonas roscadas .................................................................................... 54
5. Nozzle coaxial................................................................................................................................ 56
5.1. Design do nozzle coaxial ....................................................................................................... 56
5.2. Projeto dos cones do nozzle coaxial contínuo ...................................................................... 59
5.3. Projeto do nozzle coaxial contínuo ........................................................................................ 61
5.3.1. Estrutura principal .......................................................................................................... 61
5.3.2. Bloqueador, tubo roscado interior e tubo roscado rotativo ........................................... 61
6. Impressoras 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes para metal ...... 64
6.1. Requisitos e especificações iniciais ...................................................................................... 64
6.2. Conceitos de arquitetura ....................................................................................................... 65
6.2.1. Conceito de arquitetura com a configuração E ............................................................. 65
6.2.2. Conceito de arquitetura com a configuração F ............................................................. 66
6.2.3. Considerações finais entre conceitos ............................................................................ 67
vii
7. Conclusão ...................................................................................................................................... 69
7.1. Trabalhos futuros ................................................................................................................... 70
Bibliografia ............................................................................................................................................. 72
Anexo A: Desenhos técnicos do nozzle coaxial contínuo ..................................................................... 79
viii
Índice de Figuras
Figura 1.1: Problema atual de AM. .......................................................................................................... 1
Figura 2.1: Representação simplificada do processo de LOM. Traduzido de [11]. ................................ 5
Figura 2.2: Representação de um sistema de FDM. Traduzido de [2]. .................................................. 6
Figura 2.3: Esquema do processo de BJ. Traduzido de [2]. ................................................................... 7
Figura 2.4: Representação do processo de PBF. Traduzido de [14]. ..................................................... 8
Figura 2.5: Esquema do processo de LENS. Traduzido de [2]. ............................................................ 10
Figura 2.6: Absorção teórica como função do comprimento de onda para diversos metais. Traduzido de
[32]. ........................................................................................................................................................ 14
Figura 2.7: Impressoras FDM de múltiplas cabeças. ............................................................................ 18
Figura 2.8: Representação das duas arquiteturas desenvolvidas por Zhang e Khoshnevis [44]. ........ 19
Figura 2.9: Impressora FDM The Cronus com múltiplos pórticos [46]. ................................................. 19
Figura 2.10: Impressora de FDM desenvolvida por Boto com dois sistemas de cremalheiras e três
cabeças e mesas de impressão [47]. .................................................................................................... 20
Figura 3.1: Esquema de um laser de díodo-Nd:YAG. Traduzido de [28]. ............................................ 23
Figura 3.2: Esquema de um laser de fibra. Traduzido de [28]. ............................................................. 23
Figura 3.3: Fontes de potência de laser. ............................................................................................... 24
Figura 3.4: a) Esquema da entrada e saída do feixe na fibra ótica. Traduzido de [52]; b) Conectores de
fibra ótica IPG Photonics [53]. ............................................................................................................... 25
Figura 3.5: Exemplo de configuração entre um shutter, uma fonte de potência e uma cabeça de
processamento. Traduzido de [54] ........................................................................................................ 26
Figura 3.6: Exemplo de configuração e ligações com um comutador de 4 canais de saída. Adaptado de
[54]. ........................................................................................................................................................ 27
Figura 3.7: Esquematização do fenómeno de colimação. Adaptado de [55]. ....................................... 27
Figura 3.8: Representação de parâmetros de uma lente focal plano-convexa. Adaptado de [56]. ...... 28
Figura 3.9: Lentes convergentes: a) plano-convexa e b) côncavo-convexa [52]. ................................. 28
Figura 3.10: Sistema de alimentador baseado por gravidade com dois subsistemas independentes [57].
............................................................................................................................................................... 29
Figura 3.11: Diferentes configurações de nozzles no processo de LENS [31]. .................................... 30
Figura 3.12: Nozzle coaxial contínuo a) COAX 8 e b) COAX 9, Fraunhofer ILT [59], [60]. .................. 32
Figura 3.13: Exemplos de guias lineares. ............................................................................................. 32
Figura 3.14: Mesa giratória HRT160 da HAAS [62]. ............................................................................. 33
Figura 3.15: Configurações de sistemas com três graus de liberdade lineares [63]. ........................... 34
Figura 3.16: Representação da ligação das partes da peça feitas de forma alternada [40]. ............... 36
Figura 3.17: Gradiente de temperatura (ºC) com tempo de espera entre deposições: a) Δt=2s e b)
Δt=5s [65]. ............................................................................................................................................. 37
Figura 3.18: Exemplos de pirómetro (a) e câmaras (b, c) de obtenção de imagem térmica infravermelha.
............................................................................................................................................................... 38
Figura 3.19: Possíveis montagens e implementações de um pirómetro com fibra ótica numa cabeça de
impressão. Traduzido de [67]. ............................................................................................................... 38
ix
Figura 3.20: Sistemas disponível para LENS da empresa KUKA. ....................................................... 40
Figura 3.21: Representação do kit de construção do sistema modular da Laserline. Traduzido de [74].
............................................................................................................................................................... 40
Figura 3.22: Parâmetros de entrada e saída e processos de LENS. Traduzido e adaptado de [28], [75].
............................................................................................................................................................... 41
Figura 3.23:Correlação entre a energia específica, densidade de deposição de pó e os seus efeitos
num cordão de liga de cobalto num substrato de aço. Traduzido de [28]. ........................................... 43
Figura 3.24: Correlação entre a densidade efetiva de energia e a densidade efetiva de deposição de pó
para um revestimento de liga de ferro sobre aço macio. Traduzido de [28]. ........................................ 44
Figura 3.25: Correlação entre a densidade de potência e tempo de interação para diferentes técnicas a
laser. Traduzido e adaptado de [28]. ..................................................................................................... 45
Figura 4.1: Sistema de deposição de pó assitida por laser do CeFEMA. ............................................. 47
Figura 4.2: Sistema ótico do sistema de deposição a laser do CeFEMA. ............................................ 48
Figura 4.3: Registo das cinco marcas com menor diâmetro resultantes da análise experimental. ...... 48
Figura 4.4: Alimentador de pós TWIN 10 COMPACT da PLASMA TECHNIK AG [83]. ....................... 49
Figura 4.5: Nozzle lateral do sistema de deposição a laser do CeFEMA. ............................................ 50
Figura 4.6: Guias manuais linear e angular para reposicionamento do nozzle lateral [83]. ................. 50
Figura 4.7: Disposição das três guias lineares LTM 80F-150 da OWIS [83]. ....................................... 51
Figura 4.8: Controlador do alimentador de pós desenvolvido por Torres. ............................................ 52
Figura 4.9: Rotinas implementadas por Torres no controlo do sistema de deposição assistido por laser
[83]. ........................................................................................................................................................ 53
Figura 4.10: Ligação roscada danificada (C), contaminada (E) e danos durante a desmontagem (A, B e
D). .......................................................................................................................................................... 55
Figura 4.11: Exemplo de o-ring de borracha [85]. ................................................................................. 55
Figura 5.1: Representações de patentes de nozzles coaxiais. ............................................................. 57
Figura 5.2: Representação do nozzle coaxial contínuo de Freneaux et al. [92]. .................................. 58
Figura 5.3: Esquemas representativos do fluxo de pó à saída dos dois cones com (a) as especificações
preferenciais e (b) com 𝑙 = 1.6 mm. ...................................................................................................... 59
Figura 5.4: Esquema representativo do fluxo de pó à saída dos dois cones com os parâmetros
geométricos finais. ................................................................................................................................. 60
Figura 5.5: Cones do nozzle coaxial contínuo. ..................................................................................... 60
Figura 5.6: Representação da secção transversal da estrutura principal, cones coaxiais, tampa e
conectores CMa6522 6-M5. .................................................................................................................. 61
Figura 5.7: Representação da secção transversal dos tubos interior e rotativo e bloqueador. ............ 62
Figura 5.8: Nozzle coaxial contínuo desenvolvido e maquinado. ......................................................... 63
Figura 6.1: Conceito do autor baseado no conceito de Boto. ............................................................... 66
Figura 6.2: Conceito do autor baseado na impressora The Cronus da Titan Robotics. ....................... 67
x
Índice de Tabelas
Tabela 2.1: Classificações de AM para metais. ...................................................................................... 4
Tabela 2.2: Benefícios e desvantagens de fontes de calor em AM. Traduzido de [19]. ....................... 12
Tabela 2.3: Comparação entre processos. Traduzido de [8] ................................................................ 15
Tabela 3.1: Vantagens e desvantagens das configurações de nozzles. Traduzido de [31]. ................ 31
Tabela 3.2: Especificações dos nozzles coaxiais contínuos COAX 8 e COAX 9, Fraunhofer ILT.
Adaptado de [59], [60]. .......................................................................................................................... 31
Tabela 3.3: Parâmetros de monitorização. Adaptado de [29]. .............................................................. 35
Tabela 3.4: Especificações e comparações entre MWO-I Powder e Motorized Powder Zoom-
Optics [72], [73]. .................................................................................................................................... 39
Tabela 4.1: Características óticas e gerais do laser de fibra IPG YLR 200 AC. Traduzido de [80]. ..... 47
Tabela 4.2: Características inerentes do alimentador de pós TWIN 10 COMPACT da PLASMA
TECHNIK AG. Traduzido de [82]. ......................................................................................................... 49
Tabela 4.3: Parâmetros constituintes das três guias lineares LTM 80F-150 da OWIS. Traduzido de [84].
............................................................................................................................................................... 51
Tabela 6.1: Especificações definidas para uma impressora 3D com múltiplas cabeças para metais.
Adaptado de [95]. .................................................................................................................................. 65
xi
Lista de Símbolos
Abreviações
3D Tridimensional
3DP Powder Bed and Inkjet 3D Printing
AM Manufatura Aditiva (Additive Manufacturing)
ASTM American Society for Testing and Materials
BJ Impressão 3D Aglutinante (Binder Jetting)
CAD Desenho Assistido por Computador
CeFEMA Centro de Física e Engenharia de Materiais Avançados
CNC Computador de Controlo Numérico
DED Deposição por Energia Direcionada (Directed Energy Deposition)
DLF Directed Light Fabrication
DMD Direct Metal Deposition
EBF3 Fabricação em Formato Livre por Feixe de Eletrões (Electron Beam Freeform
Fabrication)
EBM Fusão por Feixe de Eletrões (Electron Beam Melting)
FDMm Modelação por Deposição de Fundido Metálico (Fused Deposition Modelling of
Metals)
HIP Pressão Isostática a Quente (Hot Isostatic Pressing)
IST Instituto Superior Técnico
LC Laser Consolidation
LENS Fabricação de Forma Final a Laser (Laser Engineered Net Shaping)
LMD Laser Metal Deposition
LOM Manufatura de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing)
ME Extrusão de Material (Material Extrusion)
MJ Material Jetting
PBF Fusão por Cama de Pó (Powder Bed Fusion)
SL Laminação de Folhas (Sheet Lamination)
xii
SLM Fusão Seletiva por Laser (Selective Laser Melting)
SLS Sinterização Seletiva por Laser (Selective Laser Sintering)
UC Consolidação por Ultrassons (Ultrasonic Consolidation)
VP Vat Photopolymerization
WAAM Manufatura Aditiva por Fio e Arco Elétrico (Wire and Arc Additive
Manufacturing)
ZAC Zona Afetada pelo Calor
Nomenclatura
𝛼 Semiângulo do Cone de Injeção
∆ℎ Altura do cone da zona útil de deposição
𝛥𝑡 Tempo de Espera na Deposição entre Cordões
𝜓𝑒𝑓 Densidade de Deposição de Pó Efetiva
𝐴𝑒𝑓 Área Efetiva por Segundo Irradiada pelo Feixe de Laser e Fluxo de Pó
𝐷 Diâmetro Médio do Anel de Injeção
𝐸 Energia do Pulso
𝐸𝑒𝑠𝑝 Densidade de Energia Específica
𝐸𝑒𝑓 Densidade de Energia Efetiva
𝐹 Frequência do Pulso
𝐺 Densidade de Deposição de Pó
ℎ Altura do Cordão
ℎ𝑚á𝑥 Altura Máxima da Trajetória de Fluxo do Pó à Saída dos Cones de Injeção
ℎ𝑚𝑖𝑛 Altura Mínima da Trajetória de Fluxo do Pó à Saída dos Cones de Injeção
𝑗 Limite de Diluição
𝑙 Largura do Anel de Injeção
�̇� Taxa de Deposição de Pó
𝑃 Potência do Feixe de Laser
𝑟 Raio do Feixe Incidente
xiii
𝑅 Refletividade
𝑠 Coeficiente de Sombra
𝑈 Velocidade
𝑤 Largura do Cordão
𝑊 Largura do Pulso
1
1. Introdução
Os processos de manufatura aditiva (additive manufacturing, AM) são processos de adição de material,
camada após camada, no fabrico de objetos tridimensionais (3D), contrariamente a processos de
remoção de material. Para tal, recorre-se a um equipamento denominado por “impressora 3D”.
Nos recentes anos, as impressoras 3D têm oferecido um novo meio de processamento em diversas
aplicações, algumas delas nunca antes possíveis. Por exemplo, estas podem ser utilizadas, quer numa
fase de prototipagem de um produto, quer na fase de produção final do mesmo. Adicionalmente, a sua
utilização tem aumentado significativamente, prevendo-se uma continuação do seu crescimento.
1.1. Motivação
Os processos de AM, aquando do fabrico de uma peça, encontram-se limitados por três critérios:
(1) rapidez de processamento, (2) dimensões e (3) qualidade (precisão geométrica e propriedades
mecânicas) da peça. Na tomada de decisão, é necessário optar entre uma peça com uma boa
qualidade, mas com rapidez reduzida, e uma peça fabricada com elevada rapidez, mas com pior
qualidade. No fabrico de uma peça por AM com boa qualidade e num curto espaço de tempo terá,
necessariamente, dimensões reduzidas. A Figura 1.1 indica este problema: apenas é possível escolher
dois critérios, comprometendo o terceiro.
Figura 1.1: Problema atual de AM.
Uma solução para este problema passa pelo desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas
cabeças de impressão. Estas impressoras 3D aumentam o volume de produção e/ou as dimensões da
peça a processar com uma boa qualidade. No entanto, o mercado é escasso e com foco em aplicações
de polímeros. Por outro lado, uma vez que os materiais metálicos assumem um destaque especial na
indústria, torna-se relevante e aliciante conhecer e contribuir para o desenvolvimento de uma
impressora 3D com múltiplas cabeças de impressão para aplicações de metais.
Pelas razões apresentadas, o presente documento aborda o tema exposto como Dissertação de
Mestrado.
2
1.2. Objetivos
Com este trabalho pretende-se introduzir os conceitos fundamentais e as necessidades no
desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas cabeças de impressão para o fabrico de peças
de grandes dimensões em metal. Para tal, são analisadas as tecnologias existentes em AM de metais
que mais se adequam ao tema exposto anteriormente. Após a sua seleção e justificação, são
explorados os conceitos teóricos e arquitetónicos e as especificações relevantes.
Para tal, é efetuada uma análise crítica aos componentes existentes no mercado mais adequados às
opções selecionadas.
1.3. Estrutura do documento
Esta dissertação está dividida em sete capítulos. No primeiro capítulo é feita uma introdução à
dissertação, assim como a justificação da escolha do tema e enunciam-se os principais objetivos.
No segundo capítulo é efetuada uma revisão ao estado da arte. São apresentadas as tecnologias de
AM para metais, fontes de calor, formas de deposição de material e arquiteturas de impressoras 3D
com múltiplas cabeças de impressão.
No terceiro capítulo é justificada a escolha do processo no desenvolvimento de uma impressora 3D
com múltiplas cabeças de impressão. Seguidamente, são apresentados os sistemas fundamentais,
assim como os parâmetros-chave característicos.
O quarto capítulo expõe a análise crítica ao sistema de deposição de pó assistido por laser do
Laboratório de Laser do IST.
O quinto capítulo trata uma das necessidades apontadas no capítulo anterior, nomeadamente o
desenvolvimento de um nozzle coaxial contínuo.
O sexto capítulo apresenta dois conceitos de arquitetura para uma impressora 3D com múltiplas
cabeças para o fabrico de peças de grandes dimensões em metal. Também são apresentadas as suas
especificações e requisitos.
Finalmente, no sétimo capítulo retiram-se as conclusões do trabalho desenvolvido e dão-se propostas
de possíveis trabalhos futuros, com base do que foi feito no presente trabalho.
3
2. Estado da arte
Manufatura aditiva é o termo técnico adotado pela American Society for Testing and Materials (ASTM)
que descreve o processo de adição de material com o objetivo de criar um objeto 3D [1]. Pela sua
popularidade, também é designando por impressão 3D. O processo de manufatura aditiva recorre ao
uso de máquinas para o efeito, denominadas de “impressoras 3D”. Este processo relativamente recente
permite criar objetos de geometria complexa, que de outro modo não seriam possíveis [2]. Em termos
de economia e sustentabilidade, a AM oferece múltiplas vantagens em relação a métodos
convencionais: (1) redução de resíduos, (2) consumo de energia, (3) carbon footprint e (4) time-to-
market e (4) produção just-in-time [3].
O conceito-chave que melhor descreve a AM é que o processamento das peças se dá através da
deposição de camadas finas sucessivas, geralmente horizontais, de material criadas a partir de um
desenho assistido por computador (CAD) tridimensional. Quanto mais fina a camada, mais próxima da
realidade a peça se torna quando comparada com o modelo CAD, mas a sua rapidez de processamento
diminui [2].
A utilização das diversas tecnologias de processamento de AM permite o uso de diversos tipos de
materiais, geralmente cerâmicos, polímeros e metais, mas também compósitos [2] e biomateriais [4].
As suas aplicações também são distintas, onde se incluem as aplicações industriais (automóvel e
aeroespacial), médicas, arquitetónicas, artísticas e lúdicas [5].
No entanto, de um modo geral, peças processadas por AM apresentam um comportamento à fadiga
inferior que os outros métodos de processamento de material, devido a defeitos como a porosidade e
rugosidade superficial. Contudo, pós-processamentos, como a aplicação de uma pressão isostática a
quente (Hot Isostatic Pressing, HIP), podem mitigar os defeitos assinalados [6], [7].
Adicionalmente, ainda existem desafios a ultrapassar: (1) utilização de um número limitado de
materiais, (2) pouca precisão relativamente às técnicas subtrativas causada pelo efeito de escada e
pelas tensões residuais, (3) repetibilidade insuficiente e inconsistência nas peças processadas e
(4) falta de metodologias qualificadas e certificadas [3].
2.1. Tecnologias de processamento para metais
De acordo com a ASTM, as tecnologias de AM são essencialmente classificadas em Vat
Photopolymerization (VP), Material Jetting (MJ), Sheet Lamination (SL), Material Extrusion (ME), Binder
Jetting (BJ), Powder Bed Fusion (PBF) e Directed Energy Deposition (DED) [1]. Apenas as tecnologias
de SL, ME, BJ, PBF e DED são aplicáveis a AM para metais. Cada classificação apresenta múltiplos
processos ou vertentes, Tabela 2.1 [8]. De acordo com o estado inicial do material a processar, as
tecnologias de AM para metais também podem ser divididas em três categorias: (1) folha, (2) fio e
(3) pó [9].
4
Tabela 2.1: Classificações de AM para metais.
Classificação Processos Material
Sheet Lamination Laminated Object Manufacturing (LOM) Folha
Ultrasonic Consolidation (UC) Folha
Material Extrusion Fused Deposition Modelling of Metals (FDMm) Fio
Binder Jetting Powder Bed and Inkjet 3D Printing (3DP) Pó
Powder Bed Fusion Selective Laser Sintering (SLS) Pó
Selective Laser Melting (SLM) Pó
Electron Beam Melting (EBM) Pó
Directed Energy Deposition Laser Engineered Net Shaping (LENS) Pó
Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3) Fio
Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) Fio
2.1.1. Laminação de Folhas (Sheet Lamination)
O processo consiste em unir folhas de material de modo a criar um objeto, havendo uma variedade de
mecanismos distintos. Um laser ou uma lâmina são usados para cortar os contornos do objeto na
respetiva camada. De seguida, a plataforma é rebaixada a uma distância igual à espessura da folha e
aplica-se uma nova camada. O processo repete-se até a peça ser criada e finalizada [10].
As folhas podem ser cortadas pelos contornos da camada e depois aplicadas (form-then-bond) ou
vice-versa (bond-then-form). O processamento também pode ser categorizado consoante o mecanismo
utilizado na união das camadas: (a) ligação por adesivo, (b) ligação térmica, (c) aperto e
(d) ultrassons [2].
Os processos de form-then-bond apresentam vantagens como: (a) construção de cavidades e canais,
sendo dificultada nos processos de bond-then-form, (b) não existe perigo em danificar as camadas
anteriores e (c) o processamento é rápido. Contudo, é necessário aplicar suportes externos,
ferramentas de alinhamento e mecanismos flexíveis de manuseamento independentes da geometria
da camada [2].
Em relação aos processos de bond-then-form, as vantagens são: (a) peças com baixa contração,
tensão residual e distorção, (b) as peças de grandes dimensões podem ser processadas rapidamente,
(c) número elevado de materiais a processar, (d) não-tóxico, (e) estável e (f) baixo custo de materiais,
máquinas e processamento relativamente a outras tecnologias de AM. No entanto, requer um elevado
controlo na aplicação da folha e as propriedades mecânicas e térmicas não são homogéneas [2].
Os dois processos acima apresentados podem ser aplicados pelos quatro mecanismos de união
assinalados. Na união por adesivo, as folhas são ligadas por efeito de um adesivo. Na união térmica, é
aplicada pressão por rolos aquecidos na ligação das camadas. Este tipo de união torna-se mais
eficiente quando aplicado em conjunto com adesivos. Na união por aperto, as camadas são ligadas por
5
parafusos ou mecanismos de aperto mecânico. Por fim, na união por ultrassons, as camadas são
soldadas por aplicação de um sonótrodo [2].
2.1.1.1. Manufatura de Objetos Laminados (Laminated Object Manufacturing)
LOM, esquematizado na Figura 2.1, foi uma das primeiras técnicas de AM a ser comercializada, em
1991, pela empresa Helisys Inc. que já não se encontra em funcionamento. Inicialmente, o processo
consistia na aplicação de folhas de papel. Cada uma representava a camada seccionada pelo modelo
CAD e posteriormente cortada com o auxílio de um laser de CO2. Atualmente, é possível processar
uma variedade de materiais, incluindo polímeros e papel, e menos comuns os metais e cerâmicos, com
ferramentas de corte, tais como lâminas e lasers [2].
A metodologia consiste na alimentação continua da folha de material para a mesa de impressão, onde
rolos de pressão aquecidos varrem a folha unida por um adesivo. Uma lâmina ou um laser são
controlados por um computador de controlo numérico (CNC) que cortam a folha segundo a contorno
desejado. LOM é um processo de bond-then-form. Depois de aplicada a camada, a plataforma é
rebaixada e a mesa de impressão é realimentada com folha de material, repetindo-se o processo até o
fabrico da peça [11].
Figura 2.1: Representação simplificada do processo de LOM. Traduzido de [11].
2.1.1.2. Consolidação por Ultrassons (Ultrasonic Consolidation)
UC é um processo híbrido que combina mecanismos de soldadura por ultrassons e fresagem por CNC,
comercializado inicialmente pela empresa Solidica Inc., em 2000. Durante o processo, um sonótrodo
rotativo viaja ao longo da folha metálica oscilando transversalmente a uma frequência constante de
20 kHz. Após a deposição, tipicamente, de quatro folhas, uma fresadora CNC corta os contornos.
Trata-se também de um processo de bond-then-form. Novas folhas são depositadas e o processo
repete-se até o fabrico da peça [2].
2.1.2. Extrusão de Material (Material Extrusion)
ME consiste na extrusão de um filamento de material. Este é alimentado por um par de rolos e extrudido
por um nozzle. A abordagem mais comum, aquando da deposição do material, é a utilização de calor
para controlar o estado físico do material [2].
Espelho móvel
Laser
Rolos aquecidos
Peça
Rolo de material Desperdício
Câmara fechada Chaminé
6
A tecnologia de ME é a mais popular no mercado para aplicações poliméricas. Contudo, no caso de
metais apresenta diversas limitações.
2.1.2.1. Modelação por Deposição de Fundido Metálico (Fused Deposition Modelling of
Metal)
O processo de FDMm aplica os mesmos conceitos que o FDM para polímeros. No caso presente são
utilizadas as mesmas impressoras 3D de FDM. A Figura 2.2 representa um sistema de FDM.
Figura 2.2: Representação de um sistema de FDM. Traduzido de [2].
Mireles et al. efetuaram estudos com o auxílio da impressora Stratasys FDM 3000. Apenas foi
bem-sucedido na deposição de fios de liga de estanho e bismuto, com ponto de fusão abaixo dos
170ºC. A principal aplicação destes materiais é a sua utilização em soldadura de placas de
circuitos [12].
Uma vez que o FDMm recorre a impressoras 3D para polímeros, a sua aplicabilidade encontra-se
limitada: (a) as impressoras 3D atingem apenas temperaturas até os 300ºC e (b) dificuldade em
controlar o processo, relativamente na obtenção e controlo de temperaturas elevadas ao nível de ligas
de aço e titânio [10], [12].
2.1.3. Impressão 3D Aglutinante (Binder Jetting)
O nome original registado para BJ era Three-Dimensional Printing (3DP). Também é conhecido por
Powder Bed and Inkjet 3D Printing. Foi inventado pelo Massachusetts Institute of Technology, em 1993.
Em 1995, a empresa Z Corporation obteve os direitos exclusivos da tecnologia e, em 2011, foi
comprada pela empresa 3D Systems [2], [13].
A tecnologia consiste no uso de uma cabeça que deposita seletivamente um aglomerante sobre uma
camada de partículas em pó, sob a forma de powder-bed. Seguidamente, a mesa de impressão é
rebaixada e outra camada de partículas é depositada, sendo que um rolo alisa a camada recomeçando
o processo [10]. A Figura 2.3 apresenta um esquema do processo de BJ.
Quando o processo termina, a peça encontra-se envolvida por partículas soltas num contentor. O
contentor é transferido para uma câmara de remoção das partículas onde estas são removidas por ar
Material de filamento
Sistema de alimentação
Ponta do nozzle
Eixos X-Y
Eixo Z Mesa de impressão
Peça
Sistema de aquecimento
7
comprimido. Estas câmaras, geralmente, são parte constituinte das impressoras 3D de BJ funcionando
como circuito fechado que reciclam e reaproveitam as partículas removidas anteriormente [10].
Figura 2.3: Esquema do processo de BJ. Traduzido de [2].
O processo de BJ apresenta algumas vantagens, como: (a) não necessita de estruturas de suporte,
uma vez que as camadas de partículas soltas depositadas anteriormente são usadas para o efeito,
(b) consoante o envelope de trabalho, podem ser processadas camadas de múltiplas peças, (c) as
peças criadas por BJ apresentam, geralmente, menor custo e (d) é capaz de processar em diversas
cores [2], [10]. No entanto, para aumentar a densidade ou melhorar as propriedades mecânicas da
peça, tipicamente são acrescentados aditivos [2].
Relativamente a metais, a empresa ExOne aplicou o conceito de BJ para o fabrico de peças metálicas,
nomeadamente em bronze, aços inoxidáveis, ligas de cobalto e crómio e ligas de níquel. O sistema é
ainda constituído por uma lâmpada de aquecimento que seca a camada. De seguida, é adicionada uma
nova camada. O objeto necessita, numa primeira fase, de um pós-processamento de cura, a 175º C,
durante 24 horas, por ser frágil e poroso. Por conseguinte, a vaporização da humidade aumenta a
rigidez do aglomerante. De seguida, as partículas soltas são removidas, mas o objeto ainda é
constituído por 60% de metal e 40% de ar. Por isso, é adicionado metal dentro de um reservatório e
levado a um forno, durante 24 horas, a 2000º C. O metal adicionado infiltra-se no objeto tornando-o
99.9% constituído por metal [10].
2.1.4. Fusão por Cama de Pó (Powder Bed Fusion)
De um modo geral, o PBF, representado na Figura 2.4, partilha algumas características básicas entre
os seus processos e a tecnologia de BJ. Caracteriza-se por possuir uma fonte de calor estática que
induz a união entre partículas de pó. As fontes de calor mais comuns são os lasers, existindo também
feixes de eletrões, entre outros [2]. Outras características incluem o mecanismo de powder-bed e
rebaixamento da mesa de impressão.
Teoricamente, qualquer metal capaz de ser fundido é um possível candidato ao processo. Metais como
o aço inoxidável, titânio e suas ligas, ligas de níquel, algumas ligas de alumínio e ligas de cobalto e
crómio podem ser processados e encontram-se no mercado. Também se encontram empresas que
comercializam metais preciosos, como o ouro e a prata [2].
Peça
Eixos X-Y Cabeça de impressão
Pó não-processado
Mesa de impressão
Difusor de pó Gotas de aglomerante
Eixo Z
8
Figura 2.4: Representação do processo de PBF. Traduzido de [14].
O tamanho das partículas e as condições de processamento influenciam fortemente a precisão e
acabamento superficial da peça. Partículas pequenas permitem obter melhores resultados, mas
dificultam o manuseamento e a deposição. Porém, partículas grandes são mais fáceis de manusear,
mas obtêm-se acabamentos e precisões inferiores. Peças processadas por PBF tipicamente possuem
3 – 4% de contração provocando distorções. O tempo de processamento é superior a outros processos
de AM, devido aos ciclos envolvidos de aquecimento e arrefecimento [2]. Para evitar oxidação, o PBF
encontra-se numa câmara com gás inerte ou vácuo [5], [15].
2.1.4.1. Sinterização Seletiva por Laser (Selective Laser Sintering)
O SLS foi desenvolvido pela Universidade do Texas e foi o primeiro processo de PBF a ser
comercializado [2]. O processo consiste em aplicar uma camada de pó que é alisada por um rolo.
Seguidamente, um feixe de laser, defletido mecanicamente com espelhos, varre a secção transversal
da camada. O calor fornecido pelo laser sinteriza os grãos de pó a uma temperatura próxima à da
fusão, levando à sua fusão parcial. A mesa de impressão é rebaixada e o processo repete-se [5], [10].
No caso dos metais, é necessário aplicar um aglomerante polimérico, que posteriormente é removido
por vaporização num forno, ou um aglomerante metálico com uma temperatura de fusão inferior ao
material da peça [2], [5].
Contudo, o SLS possui os mesmos problemas que o BJ, sendo necessário aplicar um
pós-processamento semelhante [2], [5], [10].
2.1.4.2. Fusão Seletiva por Laser (Selective Laser Melting)
Contrariamente ao SLS, no SLM, o laser funde totalmente os grãos de pó criando peças mais densas.
No processo de SLM não é necessário aplicar os mesmos pós-processamentos que em SLS. O
processo dá-se num ambiente com árgon ou nitrogénio que, além de proteger contra a oxidação,
permite uma eficiente condução de calor e arrefecimento [2], [5], [15].
2.1.4.3. Fusão por Feixe de Eletrões (Electron Beam Melting)
O processo foi primeiro desenvolvido pela Universidade Técnica Chalmers e foi comercializado pela
empresa Arcam AB, em 2001 [2].
Sistema de digitalização X-Y
Peça
Mesa de impressão
Sistema de alimentação
de pó
Rolo Cama de pó
Feixe de laser
Eixo Z
Laser
Contentor
9
Em contraste aos processos de PBF baseados em lasers, o EBM acelera os eletrões graças ao
fornecimento de uma energia elétrica elevada com tensões de 30 a 60 kV. Os eletrões são focados
com lentes eletromagnéticas levando à fusão das partículas num ambiente em vácuo. O feixe de
eletrões efetua múltiplas passagens pela camada de pó a uma velocidade de 104 mm/s com elevada
corrente (~30 mA), pré-aquecendo a camada até 80% da temperatura de fusão. A passagem final é
reduzida para uma velocidade de 102 mm/s e a corrente também (5 – 10 mA) [2], [5], [10], [15]. As
tensões residuais são baixas devido às elevadas temperaturas que minimizam os gradientes de
temperatura durante a fusão localizada e solidificação [6]. Em geral, peças processadas por EBM
apresentam uma microestrutura muito fina com alguma porosidade que pode ser eliminada, na sua
maioria, por HIP [16]. Uma das grandes vantagens do EBM é a capacidade de mover o feixe de eletrões
quase instantaneamente. Assim, permite manter múltiplos banhos de fusão [2].
2.1.5. Deposição por Energia Direcionada (Directed Energy Deposition)
DED permite o processamento da peça enquanto o material está a ser depositado. Apesar do material
de deposição ser predominantemente usado sob a forma de pó, tipicamente em metal, também é
possível depositar sob a forma de fio metálico. Ao contrário dos processos de BJ e PBF, DED não é
um processo de powder-bed, mas sim de powder-feed e/ou wire-feed [2].
O processamento por DED requer o uso de energia dirigida. Isto é, um feixe de laser, um feixe de
eletrões ou um arco elétrico são focados na região que se pretende depositar material, levando à fusão
simultânea do material de adição e do substrato. Deste modo é criando o banho de fusão. Como
substrato entende-se uma base plana na qual se processa uma nova peça, ou uma peça pré-existente
na qual uma nova geometria é criada ou reparada, ou a camada anterior durante o processamento da
peça. No caso de processamento de peças com uma geometria complexa são necessários materiais
de suporte, cabeças de deposição com múltiplos eixos e, de um modo geral, impressoras 3D mais
sofisticadas [2].
A tecnologia de DED é, entre as referenciadas anteriormente, a que possui um maior campo de
aplicabilidade a nível industrial para peças de grandes dimensões, entre outros. Por conseguinte, no
caso de fontes de calor por laser, existem diversas classificações de DED. Porém, os princípios e
conceitos básicos são semelhantes, devido ao desenvolvimento da tecnologia por diferentes
instituições. Como tal, das mais conhecidas destacam-se o Laser Engineered Net Shaping, Directed
Light Fabrication (DLF), Direct Metal Deposition (DMD), Laser Consolidation (LC) e Laser Metal
Deposition (LMD). Relativamente aos princípios e conceitos básicos comuns, existem diferenças
comparativamente à potência do laser, diâmetro do foco de laser, tipo de laser, método de alimentação
de material e esquemas de controlo. Também de modo geral, a cabeça de deposição é tipicamente
constituída por um conjunto de lentes óticas, tubos de alimentação de material de adição, nozzle e
sensores [2]. No entanto, também existem outros processos semelhantes que recorrem a uma fonte de
eletrões (EBF3), ou arco elétrico (WAAM).
Os processos de DED são capazes de (a) produzir peças densas com estruturas microscópicas
altamente controláveis, (b) produzir peças constituídas por diferentes metais, (c) reparar com elevada
10
qualidade e (d) aplicar camadas finas protetoras à corrosão e desgaste. Porém, apresenta algumas
limitações: (a) baixa precisão e acabamento superficial, (b) pode necessitar de tratamento térmico de
relaxamento de tensões e (c) não é capaz de processar peças tão complexas como o PBF. Contudo,
para se obter melhores precisões e acabamentos são necessários feixes de energia com diâmetros e
taxas de deposição inferiores, e vice-versa. No entanto, no primeiro caso, resulta em tempos de fabrico
superiores. Na obtenção de precisões e taxas de deposição superiores, alterações na potência do laser
e velocidade relativa da cabeça à mesa de impressão podem afetar a microestrutura. Portanto torna-se
necessário encontrar o ponto ótimo entre as condições de velocidade de processamento, precisão e
microestrutura [2].
2.1.5.1. Fabricação de Forma Final a Laser (Laser Engineered Net Shaping)
LENS, esquematizado na Figura 2.5, foi um dos primeiros processos de DED a ser comercializado. Foi
desenvolvido pela Sandia National Laboratories e comercializado pela Optomec. O processo consiste
na fusão de pó metálico com o auxílio de um feixe de laser. A fusão e solidificação ocorre numa câmara
fechada com recirculação de gás inerte, tipicamente árgon, de modo que a concentração de oxigénio
se mantenha perto ou abaixo das 10 ppm. Trata-se de um processo mais limpo que os processos de
PBF [2]. Devido ao aquecimento e arrefecimento desigual ao longo de toda a peça, um dos problemas
inerentes a LENS é a formação de tensões residuais. Estas podem ser significantes no processamento
de peças de alta precisão, como pás de turbina [5]. Comparado com WAAM, LENS apresenta
vantagens, tais como: (a) baixa entrega térmica, que leva a uma baixa distorção e fadiga térmica,
(b) pequena zona afetada pelo calor (ZAC), (c) baixa diluição e (d) microestrutura mais fina. O facto de
recorrer a uma fonte de laser estável, permite uma alta repetibilidade e fiabilidade do processo [17],
[18].
Figura 2.5: Esquema do processo de LENS. Traduzido de [2].
Feixe de laser
Mesa de impressão
Nozzle
Cabeça de impressão
Peça
Substrato
Sensor 1 Sensor 2
11
2.1.5.2. Fabricação em Formato Livre por Feixe de Eletrões (Electron Beam Freeform
Fabrication)
EBF3 foi desenvolvido pela NASA Langley como um processo de fabrico e/ou reparação de estruturas
aeroespaciais e comercializada pela Sciaky. Ao contrário do LENS, o EBF3 é um processo de wire-feed
e recorre a uma fonte de feixe de eletrões como fonte de calor na fusão do fio metálico [2].
O desenvolvimento de um processo que recorre a feixe de eletrões e fio metálico, para aplicações
espaciais, deve-se que (a) os feixes de eletrões são mais eficientes na conversão de energia elétrica
num feixe do que a maioria dos lasers, (b) os feixes de eletrões apresentam uma eficiência elevada no
processamento em vácuo e (c) o pó é mais difícil de conter num ambiente com baixa gravidade, sendo
preferível o uso de fio [2]. O processo é capaz de depositar grandes quantidades de material (cerca de
2500 cm3/h), mas também deposições precisas, a taxas menores, sendo apenas limitado pela precisão
de posicionamento e capacidade de alimentação do fio [8].
2.1.5.3. Manufatura Aditiva por Fio e Arco Elétrico (Wire and Arc Additive Manufacturing)
WAAM é também um processo de wire-feed, onde as peças são processadas através de pistolas de
soldadura [19]. Como tal, o processo de WAAM aplica conceitos de soldadura, nomeadamente Gas
Metal Arc Welding (GMAW), Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) ou Plasma Arc Welding (PAW), na
fusão do material de deposição. GMAW é um processo de soldadura no qual o arco elétrico é criado
entre o substrato e o fio consumível que se encontra, geralmente, numa posição vertical ao substrato.
No GTAW e PAW é usado um elétrodo de tungsténio não-consumível na criação do banho de fusão.
Nestes, a posição do fio é variável. A ZAC pelo arco de PAW é mais estreita que pelo arco de GTAW
resultando num cordão de soldadura mais estreito. A energia envolvente no processo de PAW pode
ser até três vezes a energia envolvente no GTAW. Isto, provoca menores distorções e deposita cordões
com velocidade superior [8].
O processamento por WAAM é (a) extremamente flexível, (b) a taxa de deposição é elevada e (c) é um
processo com boa relação custo-eficiência. Contudo, o processo é afetado por (a) tensões residuais,
(b) distorção, ambos devido a uma entrega térmica elevada, mas também (c) porosidade,
(d) undercutting, (e) humping, (f) fissuras, (g) inclusões e (h) fusão incompleta [19]–[21]. Apesar da
presença destes aspetos, é possível atenuar os seus efeitos principalmente nas tensões residuais e
distorções, que são os mais críticos.
Como tal, podem ser usadas estratégias de mitigação antes, durante ou depois do processamento. De
acordo com Ding et al., as estratégias de pré-processamento são a otimização de parâmetros e
estratégias de deposição. As estratégias de deposição afetam fortemente a redução da distorção. Por
sua vez, a otimização de parâmetros apresenta um peso bastante inferior. Por fim, as estratégias
aplicadas durante o processo são as que levam a melhores resultados [22]. No caso das tensões
residuais provocadas pela distorção aquando da separação com o substrato, a estratégia mais
promissora é a aplicação de rolos de pressão durante o processamento [21]. A aplicação destes
apresenta benefícios, tais como (a) a redução das tensões residuais de 600 MPa para 250 MPa, (b) a
12
redução de humping e (c) aumento das propriedades microscópicas, graças ao refinamento do grão
[21], [23], [24].
2.2. Fontes de calor: arco elétrico, feixe de eletrões e laser
A maioria das tecnologias e respetivos processos descritos na Secção 2.1 recorrem a fontes de calor
no processamento de metal, onde se incluem o feixe de laser, feixe de eletrões e arco elétrico. Portanto,
torna-se relevante analisar e comparar as diferentes fontes. A Tabela 2.2 compara as três fontes de
calor apresentando alguns dos benefícios e desvantagens.
Tabela 2.2: Benefícios e desvantagens de fontes de calor em AM. Traduzido de [19].
Fontes de calor Vantagens Desvantagens
Laser Bom acabamento superficial Depende da qualidade do pó
Taxa de deposição baixa
Investimento alto
Feixe eletrões Pode ser usado para metais condutores e ligas refletoras
Acabamentos superficiais piores que por laser
Boas propriedades mecânicas Investimento elevado
Arco elétrico Possibilidade de processar superligas
Não tão preciso que por feixe de eletrões e laser
Taxa de deposição elevada
2.2.1. Arco elétrico
O arco elétrico é o resultado de um fluxo de corrente elétrica (eletrões) entre dois pontos separados
por um gás. Os dois pontos são denominados de elétrodos. Os gases são geralmente maus condutores,
isto é, os átomos ou moléculas não contêm eletrões livres. Porém, esta situação pode ser alterada caso
haja energia suficiente para ionizar o meio (criação de plasma). Estas partículas carregadas
possibilitam que o gás se torne condutor. A elevada corrente elétrica associada ao fenómeno promove
uma elevada temperatura [25].
Porém, a interação entre os campos elétrico e eletromagnético promovem o arc blow que afeta a
estabilidade e deflete o arco. Assim, provoca instabilidade na zona de processamento e do plasma e
uma transferência irregular do material de deposição [26].
Parâmetros como a velocidade de alimentação e diâmetro do fio, material de deposição, corrente,
tensão, ângulo de incidência, velocidade e tipo de gás estão correlacionados com o fenómeno do arco
elétrico [26].
2.2.2. Feixe de eletrões
O bombardeamento de eletrões deve-se ao aquecimento de um filamento de tungsténio. Os eletrões
são manipulados através dos campos elétrico e magnético formando um feixe, num meio em vácuo. O
facto de o processo se realizar num meio em vácuo, eleva o custo de investimento que pode inviabilizar
13
o processamento por feixe de eletrões. A velocidade elevada dos eletrões resulta numa energia cinética
igualmente elevada. Logo, a interação com o material leva ao aumenta da sua temperatura [27]. O
processamento dá-se numa câmara em vácuo. Uma vez que se trata de uma radiação por eletrões, a
observação do processo e a estabilidade é dificultada [15], [16] .
2.2.3. Feixe de laser
A palavra “laser” é um acrónimo que significa “Light Amplification by the Stimulated Emission of
Radiation”. Um feixe de laser é (a) monocromático, (b) coerente, (c) direcional e (d) focável. O feixe de
laser gerado pode ser conduzido através de espelhos e fibras óticas, desde a fonte de potência até à
zona de processamento [28].
Os numerosos tipos de laser podem ser categorizados consoante parâmetros físicos e operacionais
envolventes na geração do feixe de laser. Também há diferentes classificações de lasers, sendo o mais
comum o estado físico do material ativo. Segundo este critério, lasers podem ser categorizados como:
(a) lasers de gás, (b) lasers de estado sólido, (c) lasers de corante e (d) laser de eletrões livres [29]. Os
lasers mais comuns são os de Nd:YAG, fibra (ambos de estado sólido) e CO2 (laser de estado gasoso).
Tipicamente, os laser de Nd:YAG e fibra requerem apenas metade da potência para atingir as mesmas
taxas de deposição, relativamente ao de CO2. Os feixes de laser de Nd:YAG e fibra podem ser
conduzidos através de fibra ótica, enquanto que os de CO2 apenas podem ser manipulados com
espelhos refletores. Deste modo, os laser de Nd:YAG e fibra são mais flexíveis. Adicionalmente, nesta
última década, têm surgido lasers de díodo (laser de estado sólido) com potências médias interessantes
para aplicações de AM. O feixe pode ser também conduzido por fibra ótica. Por fim, os laser de díodo
são os que apresentam uma eficiência energética superior, enquanto que os lasers de fibra são os que
apresentam uma qualidade do feixe superior [29], [30].
O recurso de lasers em AM apresenta benefícios, como: (a) capacidade em emitir feixes num elevado
intervalo de comprimento de onda, (b) capacidade em produzir um elevado nível de irradiância
(potência por unidade de área) na superfície da peça, através de uma interação sem contacto,
(c) facilidade em manipular o feixe de laser através de técnicas de CNC, uma vez que não tem massa,
nem contacto mecânico com a peça, (d) capacidade em configurar o feixe de luz na peça, espacial e
temporariamente [31].
Quando um feixe de laser incide na superfície do material - seja este sólido, pó ou líquido - uma parte
da luz é refletida, outra absorvida e outra transmitida. Isto dependendo das propriedades óticas do
material e da respetiva peça. A fração do feixe de laser que é absorvido pela superfície do material, no
caso dos metais, é transformado em calor através da interação eletrão-fonão, que provoca um aumento
da temperatura da superfície necessária à fusão para a AM [31].
O comprimento de onda é um parâmetro-chave na escolha do laser mais indicado para o
processamento em particular. A Figura 2.6 apresenta a taxa de absorção de alguns dos metais mais
comuns, em função do comprimento de onda. Para metais, menores comprimentos de onda, no espetro
infravermelho, tipicamente resultam em maiores absorções de radiação laser. O ângulo de incidência
14
do feixe de laser com a superfície e a sua polarização determinam quanto da energia incidente é
refletida [31], [32].
A distribuição espacial do feixe na superfície do material afeta o máximo de irradiância obtido e a
distribuição de temperatura resultante. Geralmente, são utilizados quatro tipos de lasers com diferentes
distribuições espaciais no processamento de material: (1) gaussiano, (2) multimodo, (3) quadrado (ou
retangular) e (4) top hat. Um laser gaussiano é mais indicado para aplicações de corte ou soldadura
em comparação a tratamentos de superfície. Pois, este é uma “ferramenta aguçada” e tende a vaporizar
e fundir o substrato profundamente. Este facto deve-se à intensidade máxima situada no centro. Por
conseguinte, a temperatura do banho de fusão é superior no centro que na fronteira provocando um
gradiente de temperatura e, consequentemente, um gradiente de tensão superficial. Em contraste, as
distribuições espaciais de multimodo, quadrado e top hat são usadas, preferencialmente, em aplicações
de superfície [31]–[33].
Figura 2.6: Absorção teórica como função do comprimento de onda para diversos metais. Traduzido de [32].
Relativamente ao perfil temporal, os lasers podem ser contínuos, pulsados ou quasi-contínuos. Com
lasers contínuos, o banho de fusão tipicamente demonstra um comportamento estacionário. Em
contrário, lasers pulsados levam a padrões periódicos de fonte de calor, variações de temperatura e
movimentos do banho de fusão. Os lasers pulsados apresentam algumas vantagens sobre os lasers
contínuos, uma vez que melhoram a qualidade superficial e promovem uma microestrutura refinada e
uma menor diluição do cordão. No caso dos lasers pulsados, os períodos desligados levam a uma
redução do fluxo de Marangoni, a uma fraca convecção e a uma solidificação multidirecional em direção
ao centro do banho de fusão. Pulsos de laser periódicos resultam num banho de fusão com uma forma
mais circular em comparação ao laser contínuo. A variação da temperatura também é diferente em
ambos os casos. Primeiro, existe uma flutuação periódica de temperatura com a mesma frequência
com o laser pulsado. Segundo, com lasers pulsados as taxas de arrefecimento são quase o dobro que
os lasers contínuos [34]. Por fim, lasers quasi-contínuos geram uma sucessão de pulsos com uma taxa
de repetição elevada que se assemelha a um feixe contínuo. As fontes de potência de laser quasi-
contínuo permitem emitir feixes contínuos ou pulsados. Esta funcionalidade aumenta o seu campo de
Comprimento de onda (µm)
Taxa d
e a
bsorç
ão (
%)
Laser de fibra 1,06 µm Laser de díodo 808 nm
30
25
20
15
10
5
0 1 10
Taxa d
e a
bsorç
ão (
%)
Comprimento de onda (µm) Comprimento de onda (µm)
Taxa d
e a
bsorç
ão (
%)
Laser de fibra 1.06 µm Laser de díodo 808 nm
30
25
20
15
10
5
0 1 10
Prata
Cobre
Aço
Ferro
Alumínio
15
aplicações. Assim, possuem todos os benefícios dos lasers contínuos e a potência de pico, em modo
pulsado, é aumentada por um fator de 10 vezes sobre a potência média [35], [36].
2.3. Formas do material de processamento: folha, fio e pó
De acordo com a Secção 2.1, as tecnologias de AM para metais também podem ser categorizadas
dependendo da forma inicial do material de processamento: (1) folha, (2) fio e (3) pó. Além da
informação exposta na Secção 2.1.1, não foram encontrados artigos científicos que abordam o material
de processamento de folha. Assim, a presente secção apenas se refere ao material de processamento
de fio e pó.
Os processos de powder-feed/-bed encontram-se mais desenvolvidos quando comparados com os
processos de wire-feed, uma vez que os primeiros possuem melhor capacidade em processar peças
com uma precisão geométrica superior. As camadas típicas depositadas por powder-bed encontram-se
nos 20 – 100 µm e as peças podem atingir precisões dimensionais de ±0.05 mm e uma rugosidade
superficial de 9 – 16 µm. Com esta forma de processamento, é possível criar peças com diferentes
combinações de materiais. Contudo, a taxa de deposição é baixa, tipicamente 10 g/min, limitando o
processamento de peças de tamanho médio a grande. Já nos processos de wire-feed, a taxa de
deposição é bastante superior, até 2500 cm3/h (330 g/min no caso de aço inoxidável), e a eficiência do
processo também, até 100%. Logo, é melhor para o ambiente e operadores, uma vez que partículas
pequenas podem constituir perigo de inalação. Também em termos de custo, os processos de wire-feed
são mais baixos, comparados com os processos de powder-feed/-bed [8]. A Tabela 2.3 apresenta uma
comparação entre alguns processos mais relevantes para metais.
Tabela 2.3: Comparação entre processos. Traduzido de [8]
Os processos baseados em powder-bed consistem na aplicação de camadas de partículas metálicas
esféricas, tipicamente com diâmetros de 20 – 45 µm e espessuras de camada de 20 – 100 µm,
espalhadas uniformemente sobre a mesa de impressão. Primeiro, a camada de pó é depositada e
alisada e, por fim, irradiada e processada, repetindo-se sucessivamente. Trata-se de um processo de
duas etapas. A fonte de calor é controlada por CNC permitindo um processamento rápido por camada.
Porém, devido às etapas e características constituintes dos processos de powder-bed, o
processamento total é demorado [28], [31] . Este tipo de processamento permite fabricar peças com
maior detalhe, pequenas, com uma rugosidade superficial fina e densidade e propriedades mecânicas
Materiais Processo Espessura da camada (µm)
Taxa de deposi-ção (g/min)
Precisão dimen-sional (mm)
Rugosidade superficial (µm)
Pó LC N/A 1 – 30 ±0.025 – ±0.069 1 – 2
SLM 20 – 100 N/A ±0.04 9 – 10
SLS 75 ~0.1 ±0.05 14 – 16
Fio WAAM ~1500 12 ±0.2 200
EBF3 N/A Até 330 Baixo Alto
16
elevadas. Contudo, além do elevado tempo de processamento, também é limitado pelo elevado custo
e peças de reduzidas dimensões [37]. Devido às diversas deflexões dos feixes de laser/eletrões e
ângulos incidentes, as propriedades do material da peça variam. Este facto deve-se a reflexões
superiores em zonas mais afastadas do centro.
Todavia, o avanço da tecnologia leva a uma evolução rápida do processamento por powder-bed devido
ao seu potencial, particularmente no processamento por laser. A evolução a nível da potência e número
de fontes de calor permite o processamento de peças com dimensões e velocidades superiores [31].
Relativamente aos casos de powder-feed e wire-feed, o processamento dá-se pela alimentação por
injeção de pó com partículas esféricas tipicamente com 50 – 100 µm de diâmetro ou por fio sólido com
1 – 2 mm de diâmetro, respetivamente, diretamente sobre o banho de fusão criado pela fonte de calor
do processo em questão. Trata-se de um processo de uma etapa. Os cordões são depositados com
uma espessura geralmente 50 – 60% da sua largura [28], [31]. Estes tipos de alimentação processam
peças simples e quase-finalizadas e são indicados para o fabrico com taxas de deposição e cadências
elevadas. No entanto, o processamento é limitado pela geometria devido à falta de suporte na adição
do material, afetando a precisão geométrica e rugosidade superficial, necessitando de um
pós-processamento [37].
Com o intuito de se perceber qual destas duas últimas formas é a mais indicada, diversos estudos
científicos foram efetuados. Os seguintes estudos foram realizados recorrendo a um processo de DED
e uma fonte de calor de laser.
Heigel efetuou uma investigação experimental com o objetivo de caracterizar as diferenças de
temperatura e deformação através da deposição de camadas, a partir de substratos e revestimentos
de Inconel® 625. Segundo Heigel, a deposição de pó e fio produzem camadas com boa qualidade. No
entanto, a espessura de cada camada por deposição de pó é quase o dobro e a diluição também é
superior. Através de medições, a alimentação por pó resulta em temperaturas e deformações
superiores. Contudo, a caracterização final em relação à distorção mostra que é igual em ambos os
casos. Também simulações de deposição de múltiplas camadas mostram que a camada por fio provoca
uma deformação total superior, apesar de gerar temperaturas e deformações inferiores que uma
camada por pó. Isto resulta da necessidade em depositar duas camadas de modo a perfazer uma
espessura igual que a camada por deposição de pó. Considerando os resultados apresentados, Heigel
recomenda a escolha do pó em detrimento do fio, quando a aparência superficial não é crítica, porque
produz uma distorção inferior para uma dada espessura de camada [38].
Syed realizou igualmente um estudo comparativo em que os substratos utilizados eram de aço macio
EN43A e os materiais de adição de aço inoxidável 316L. Relativamente à microestrutura, para ambos
os casos, os resultados foram similares. No entanto, encontrava-se presente alguma porosidade na
deposição de pó. O estudo foi realizado através de uma deposição lateral, permitindo a variação do
ângulo e posição de deposição do material de adição. Por conseguinte, o pó permite depositar com
ângulos de 0 – 180º, enquanto que o fio só permite ângulos de 10 – 75º, em relação ao substrato. No
caso da alimentação por pó, a posição relativa do nozzle lateral anterior à fonte de laser leva a uma
17
oxidação inferior e melhor acabamento superficial, enquanto que a posição relativa posterior oferece
uma eficiência de 20 – 45% superior. No caso do fio, a posição relativa posterior processa camadas
com melhor qualidade que a posição relativa anterior, pois esta provoca serrações. A eficiência de
deposição de fio é bastante superior à de deposição de pó. Segundo Syed, os resultados são
consistentes com uma instabilidade superior no banho de fusão por alimentação de pó que por fio [39].
Em relação ao fio, é essencial que esteja esticado e armazenado sem deformação plástica, de modo a
permitir uma alimentação sem vibrações. Fios metálicos são inferiores em custo e desperdício de
material. Em contraste, uma baixa qualidade superficial, porosidade, fraturas e transferência das gotas
são alguns dos problemas da alimentação por fio. Devido ao seu diâmetro, este provoca um efeito de
sombra sobre o banho de fusão mais significativo que a nuvem de pó criada pela injeção de pó e gás
de suspensão [28]. Também pelo diâmetro do fio ser fixo, não é possível alterar automaticamente este
parâmetro-chave ao longo do processo. Por sua vez, como o perfil do fluxo pó é variável ao longo do
processo, consequentemente, o seu diâmetro também o é. Relativamente ao mecanismo de
alimentação, a deposição de fio é lateral, à exceção do GMAW, enquanto que por pó a deposição pode
ser lateral ou coaxial. Portanto, estas duas últimas características permite uma flexibilidade de
movimento e de variação de parâmetros superior do pó em relação ao fio.
2.4. Múltiplas cabeças de impressão
Os avanços tecnológicos inerentes a AM, nomeadamente nas impressoras 3D, focam-se na melhoria
da qualidade e aumento da rapidez de processamento da peça. Porém, no processamento de peças
com grandes dimensões estes avanços são insatisfatórios. Com o objetivo de conciliar os três critérios,
é necessário alterar a arquitetura das impressoras 3D já existentes, de modo a aumentar a sua
produtividade. Na sua maioria, as impressoras que se encontram disponíveis no mercado são
constituídas apenas por uma cabeça de impressão, existindo, no entanto, registos de impressoras 3D
com múltiplas cabeças, nomeadamente no processo de FDM para polímeros. Logo, torna-se relevante
apresentar os seus avanços. Em alguns dos casos, a sua adaptação e aplicação nos processos de AM
para metais pode ser possível. Aumentando o número de cabeças resulta num aumento de
produtividade. Teoricamente, impressoras 3D com N cabeças de impressão, reduzem o tempo de
fabrico num fator de N.
Wachsmuth desenvolveu uma estrutura com múltiplas cabeças independentes capazes de partilhar a
mesa de impressão. A estrutura é constituída por módulos de impressão responsáveis pelo
processamento nas direções X, Y e Z. A Figura 2.7a representa a estrutura no plano XY. Devido ao
design do módulo de impressão, a estrutura é constituída apenas por dois subsistemas. A Figura 2.7a
representada apenas quatro módulos em cada um dos subsistemas. No entanto, pode-se acrescentar
um certo número de módulos até que, mecanicamente, a estrutura seja capaz de suportar os esforços
impostos. Deste modo, a impressora 3D permite processar peças com dimensões elevadas na
direção X [40].
Uzan e Yakubov registaram uma patente de uma estrutura formada por uma mesa de impressão e
múltiplas cabeças cujos módulos são movimentados a partir de fusos paralelos (eixo X), podendo ser
18
partilhados pelas diversas cabeças (Figura 2.7b). Cada módulo possui um fuso individual (eixo Y). O
conjunto de fusos permite o deslocamento das cabeças de impressão no plano XY. A adição/remoção
de fusos paralelos e a sua partilha permite reconfigurar a impressora consoante o pretendido. A adição
de camadas resulta do movimento vertical descendente da mesa de impressão única. Isto implica que
o início do processamento pelas cabeças de impressão se dê ao mesmo tempo [41].
Jian apresentou uma patente de um sistema rotacional cujas cabeças se encontram uniformemente
distribuídas entre si no plano XY (Figura 2.7c). Cada cabeça de impressão movimenta-se
independentemente sobre carris perpendiculares ao eixo Z de rotação. A presença de um eixo vertical
no centro da mesa de impressão apenas permite o fabrico de peças simétricas processadas envolto do
eixo de rotação [42].
Fontaine criou e patenteou uma estrutura, aplicada pela empresa Stacker, constituída por um sistema
modular configurável pelo utilizador que consiste em duas ou mais cabeças de impressão dispostas
segundo o eixo X (Figura 2.7d). Assim, apenas é possível fabricar peças iguais e simultaneamente. A
adição de camadas segundo Z é efetuada através do movimento vertical descendente da mesa de
impressão [43].
a) Wachsmuth [40] b) Uzan e Yakubov [41]
c) Jian [42] d) Fontaine [43]
Figura 2.7: Impressoras FDM de múltiplas cabeças.
O trabalho desenvolvido por Zhang e Khoshnevis é aplicado à construção civil, nomeadamente para
estruturas em cimento (Figura 2.8). São apresentadas duas arquiteturas de máquinas: (a) composta
por múltiplos pórticos, cada um com uma cabeça de impressão e (b) composta por uma plataforma em
pórtico integrada com múltiplas cabeças de impressão coplanares. Na arquitetura (a), os pórticos são
independentes entre si. Na arquitetura (b), a deposição por cada cabeça é independente apenas no
plano XY [44].
x
y
x
y
z x
19
Figura 2.8: Representação das duas arquiteturas desenvolvidas por Zhang e Khoshnevis [44].
No projeto Echer, criado pela Autodesk, foi também desenvolvida uma impressora 3D baseada em
pórticos independentes responsáveis pelos movimentos em X, Y e Z. Cada pórtico é composto por uma
cabeça de impressão [45]. Em 2017, o conceito foi aplicado pela empresa Titan Robotics dando origem
à impressora The Cronus (Figura 2.9). Cada movimento segundo X, Y e Z é efetuado com o auxílio de
fusos roscados. Os fusos segundo X podem ser partilhados por diversos pórticos, mas os fusos
responsáveis pelos movimentos em Y e Z são particulares a cada um. Segundo a empresa Titan
Robotics, a impressora pode ser costumizável de acordo com as preferências e necessidades do
cliente. Esta impressora 3D permite fabricar peças de grandes dimensões na direção X. No entanto, a
deposição de material nas direções Y e Z está limitada de acordo com a estrutura de cada pórtico [46].
Figura 2.9: Impressora FDM The Cronus com múltiplos pórticos [46].
Boto apresentou uma arquitetura composta por módulos independentes cada um constituído por uma
cabeça e mesa de impressão (Figura 2.10). A cabeça é responsável pelos movimentos em X e Y e a
mesa pelo movimento em Z descendente. Além destes módulos serem removíveis e permutáveis, é
possível que a mesa de impressão seja partilhada por múltiplas cabeças, sem perigo de colisão. Isto
deve-se aos fusos responsáveis pelo movimento em Y, entre dois módulos adjacentes, se encontram
desfasados segundo Z. No entanto, a deposição entre cabeças dá-se à mesma cota em Z. O
movimento em X é efetuado pela ação de um par de cremalheiras e rodas dentadas. Com a instalação
de múltiplos pares paralelos de cremalheiras e módulos, este conceito é o único (dos apresentados)
que não se encontra limitado no fabrico de peças de grandes dimensões no plano XY. No entanto, a
x
z
a) b)
x
y z
20
estrutura da impressora 3D deve ser projetada para suportar os esforços submetidos. Para aplicações
de peças com dimensões elevadas, é possível remover as colunas da estrutura entre a mesa de
impressão e os módulos e apoiar os últimos no teto da fábrica, por exemplo [47].
Figura 2.10: Impressora de FDM desenvolvida por Boto com dois sistemas de cremalheiras e três cabeças e
mesas de impressão [47].
x
y z
21
3. Características de uma impressora 3D com múltiplas
cabeças independentes para metais
Ao longo do capítulo anterior, diversas características de AM foram expostas. Pela existência de uma
quantidade elevada de artigos científicos referentes às tecnologias de PBF e DED, comparativamente
às restantes, pode-se assumir que as duas tecnologias apresentam um maior interesse científico. No
mercado atual é possível encontrar impressoras 3D com as duas tecnologias com gamas distintas de
envelope de trabalho para impressoras 3D de uma cabeça de impressão.
Analisando a informação apresentada na Secção 2.1, a tecnologia de PBF processa peças com uma
geometria mais complexa e com mais detalhe que DED. Pois, esta requer estruturas de suporte para
geometrias complexas e o facto de os banhos de fusão apresentarem dimensões superiores. Isto leva
à incapacidade de processar detalhes, a rugosidades superiores e a precisões inferiores. Por
conseguinte, tratamentos de pós-processamento são geralmente necessários. De um modo geral, PBF
é caracterizado por fabricar peças de qualidade superior, mas com dimensões e cadências de produção
inferiores.
As tecnologias de PBF são caracterizadas por duas etapas distintas: (1) deposição e alisamento da
camada de pó e (2) o processamento pela fonte de calor. A introdução de múltiplas cabeças de
impressão no sistema apenas reparte o tempo da segunda etapa por cada cabeça. Por outro lado, o
tempo despendido na primeira etapa é constante, independentemente do número de cabeças
instaladas.
Por sua vez, as tecnologias de DED são caracterizadas apenas por uma etapa: deposição de pó e
processamento pela fonte de calor, simultaneamente. Deste modo, a implantação de múltiplas cabeças
reparte o tempo total de processamento entre elas. Assim, a introdução do conceito de múltiplas
cabeças de impressão na tecnologia de DED resulta num maior ganho percentual de tempo,
comparativamente a PBF.
Adicionalmente, os conceitos apresentados na Secção 2.4 são para o processo de FDM. Este trata-se
de um processo de uma etapa. Como DED também é uma tecnologia de uma etapa, contrariamente a
PBF, a aplicação dos referidos conceitos é mais adequada à tecnologia de DED.
Portanto, pela informação exposta ao longo do capítulo anterior, analisando os conceitos de
funcionamento básicos, vantagens e desvantagens e os conceitos de múltiplas cabeças de impressão,
o autor defende que a tecnologia mais adequada para a adaptação de uma impressora 3D com
múltiplas cabeças é a tecnologia de DED.
A tecnologia de DED apresenta três principais processos obtendo-se resultados distintos para cada
um, como apresentado na Secção 2.1.5. Uma grande diferença entre estes três processos (LENS,
EBF3 e WAAM) é a fonte de calor utilizada. Esta comparação é efetuada na Secção 2.2. Considerando
o custo de investimento, WAAM é o mais apropriado. Por sua vez, o custo de investimento de EBF3 é
22
o mais elevado. Relativamente à qualidade, verifica-se o oposto. Neste caso, o EBF3 é o mais indicado,
enquanto que o WAAM apresenta os piores resultados.
Portanto, de um ponto de vista geral e uma vez que o processo de LENS se situa numa posição
intermédia relativamente aos dois aspetos considerados no parágrafo anterior, o autor considera que
este processo é o mais adequado para o desenvolvimento e conceção de uma impressora 3D com
múltiplas cabeças de impressão independentes para fabrico de peças de grandes dimensões em metal.
Apesar de LENS ser caracterizado pela deposição de material da forma de pó, a deposição de fio é
também possível. Porém, pelo facto de o pó ser mais flexível, este prevalece em detrimento do fio
(Secção 2.3).
Assim, ao longo do presente capítulo são apresentados os sistemas constituintes do processo de
LENS, assim como novos subsistemas particulares ao desenvolvimento de uma impressora 3D com
múltiplas cabeças de impressão. Por fim, também são assinalados os parâmetros-chave característicos
do processo.
3.1. Sistema de laser
O sistema de laser é o responsável pelo fornecimento de energia que permite a fusão do metal de
deposição. O sistema é constituído por (1) uma fonte de potência, em que a energia elétrica fornecida
é convertida em radiação laser, (2) cabos de fibra ótica, por facilitar a manipulação e encaminhamento
do feixe, e respetivos conectores, (3) comutadores e (4) shutters.
3.1.1. Fonte de potência
Como apresentado na Secção 2.2.3, as fontes de laser mais indicadas no presente trabalho são os
lasers de estado sólido. A escolha depende da aplicação e do material a processar, nomeadamente o
comprimento de onda, como ilustra a Figura 2.6.
Uma fonte de potência de laser recebe energia elétrica para a excitação do material ativo. De um modo
geral, o material ativo é caracterizado por fenómenos de absorção, emissão espontânea e emissão
estimulada. A absorção de energia pelos átomos constituintes do material ativo eleva-os a um estado
de energia superior. A passagem para o estado inicial provoca a emissão de fotões. Esta emissão pode
ser espontânea ou estimulada. A estimulação controlada produz um feixe de luz monocromático,
coerente e direcional [28].
Um laser de estado sólido usa um cristal como material ativo. Estes são excitados por radiação através
de lâmpadas ou lasers de díodo. O mais conhecido é o Nd:YAG com um comprimento de onda de
1064 nm. Este laser recorre a um material cristalino de neodímio (Nd) dopado e excitado por lâmpadas.
Substituindo as lâmpadas por lasers de díodo resulta numa eficiência energética e tempo de vida
superiores. Obtém-se o designado laser de díodo-Nd:YAG cujo comprimento de onda é de 808 nm e
encontra-se esquematizado na Figura 3.1 [28].
23
Figura 3.1: Esquema de um laser de díodo-Nd:YAG. Traduzido de [28].
Relativamente ao laser de fibra, as fibras óticas são também excitadas por lasers de díodo. Uma vez
que é possível revestir as fibras com diversos materiais cristalinos, os comprimentos de onda também
variam. O funcionamento deve-se à presença de uma fibra ótica numa cavidade de ressonância. Um
pulso inicial é circulado várias vezes na cavidade. Por cada volta, o pulso é amplificado e encurtado até
atingir um estado estacionário [28]. A Figura 3.2 esquematiza um laser de fibra.
Figura 3.2: Esquema de um laser de fibra. Traduzido de [28].
Os lasers de díodo, como fonte de potência, têm surgido com maior relevância, principalmente devido
à eficiência energética. Consoante o material sólido semicondutor utilizado, o comprimento de onda de
um laser de díodo também pode variar [29].
De acordo com a Secção 2.2.3, as distribuições espaciais mais indicadas para aplicações em AM são
multimodo, quadrado e top hat. Relativamente ao perfil temporal, os lasers pulsados apresentam
vantagens relativamente aos lasers contínuos. Porém, os lasers pulsados provocam deposições com
a mesma frequência dos pulsos, comprometendo a qualidade superficial das peças. Assim, as fontes
de potência de laser quasi-contínuo são as mais indicadas para aplicações de LENS, uma vez que
estas podem emitir feixes contínuos ou pulsados. Deste modo, obtêm-se melhores resultados com o
Laser de díodo (fonte)
Lente
Laser
Cristal de YAG
Água de refrigeração
Tubo
Revestimento de refletividade elevada
Meio
Lente
Fonte
Cavidade de ressonância
Feixe de laser
Fibra ótica
24
modo contínuo aquando da deposição do exterior da camada e com o modo pulsado durante o seu
enchimento.
Das empresas fabricantes de lasers, destacam-se a IPG Photonics e a Laserline. A IPG Photonics
dispõe de uma escolha de lasers de fibra cuja potência média varia de 1 W até 100 kW. Por sua vez, a
Laserline apresenta lasers de díodo com potências entre 500 W a 20 kW. Para uma determinada fonte
de potência, o seu valor de potência média pode ser controlado e variado de 10 a 100% do seu valor
máximo. De um modo geral, o aumento da potência média provoca uma diminuição da qualidade e um
aumento no diâmetro do ponto focal do feixe de laser. Consoante a aplicação, a fonte de potência tem
de funcionar ininterruptamente num determinado intervalo de tempo. Ambas as empresas garantem
uma diminuição de ≈ 2% da potência em 2 horas de funcionamento contínuo. Desconhecendo-se as
características do feixe após este tempo, é aconselhado a interrupção do processo por uns breves
minutos. Ambas as empresas também disponibilizam alguns dos restantes sistemas do processo de
LENS. Porém, devido à complexidade, interações, limitações e parâmetros, a eficiência do processo a
potência média geralmente não ultrapassa 4 kW [48], [49]. A Figura 3.3 apresenta um exemplo de uma
fonte de potência de cada uma das duas empresas destacadas.
a) Laser de fibra YLR-WC 1–1.5kW,
IPG Photonics [50]
b) Laser de díodo LMD 3000-100,
Laserline [51]
Figura 3.3: Fontes de potência de laser.
3.1.2. Fibra ótica e conectores
A referência às fontes de laser da secção anterior deve-se, em grande parte, à possibilidade de
incorporarem um sistema de fibra ótica e respetivos conectores. Estas fibras permitem o
encaminhamento do feixe de laser desde a fonte até à cabeça de impressão. A utilização deste
componente permite o manuseamento, mobilidade e flexibilidade do feixe. Assim, torna a cabeça de
impressão mais leve e rápida e promove velocidades e acelerações superiores. Isto deve-se
principalmente à montagem distante da fonte de potência da estrutura principal da impressora.
Sendo que os feixes de laser se encontram perto da zona do infravermelho, as fibras são revestidas
por sílica. A transmissão do feixe deve-se às eficientes reflexões internas entre o núcleo e revestimento
da fibra. Depois de o feixe ser focado no interior da fibra, é o seu diâmetro que determina o diâmetro
do feixe à saída. O ângulo do cone do feixe de saída coincide com o de entrada. Consequentemente,
o feixe é focado a um diâmetro que mais se aproxima, mas inferior, do diâmetro da fibra. O feixe deve
ser focado para um diâmetro menor que o da fibra. O conector é composto por uma lente focal e uma
25
lente colimadora [52]. A Figura 3.4a esquematiza o percurso do feixe de laser desde a entrada e saída
da fibra e a Figura 3.4b apresenta exemplos de conectores da IPG Photonics.
As fibras óticas podem ser designadas como (1) fibras de alimentação ou (2) fibras de processamento
(Figura 3.6). Em alguns casos, particularmente quando uma fonte de potência é dedicada a uma
simples aplicação e a uma cabeça de processamento, a fibra de alimentação pode ser conectada
diretamente. Em casos de lasers com potências superiores e utilizados numa ou várias aplicações, a
fibra de alimentação é acoplada a uma ou múltiplas cabeças, através de fibras de processamento e
acopladores, shutters, ou comutadores de feixe de lasers [48].
a) b)
Figura 3.4: a) Esquema da entrada e saída do feixe na fibra ótica. Traduzido de [52]; b) Conectores de fibra ótica IPG Photonics [53].
O utilizador pode escolher o diâmetro do núcleo da fibra de processamento, consoante os requisitos e
consequentemente o diâmetro do feixe. A IPG Photonics disponibiliza fibras de alimentação com um
diâmetro do núcleo de 50 a 300 µm e fibras de processamento de 100 a 1000 µm com comprimento
até 100 m. Diâmetros inferiores são difíceis de se obter devido à elevada densidade de potência na
extremidade da fibra e a dificuldade em introduzir o feixe no núcleo. Diâmetros de núcleo superiores a
1000 µm comprometem a flexibilidade do sistema. Portanto, é essencial um compromisso entre o
diâmetro do núcleo e a potência média a utilizar. As fibras são compatíveis com determinados
conectores que, por sua vez, são compatíveis com determinadas fontes de potência. Tanto as fibras
como os conectores podem ser arrefecidos a água em aplicações com potências elevadas [48], [52].
3.1.3. Comutador e shutter
No desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas cabeças de LENS é fundamental que cada
cabeça manipule um feixe de laser em movimento. Para tal, cada cabeça necessita de uma fibra ótica
e respetivos conectores. Este requisito pode ser respeitado se cada cabeça de impressão estiver ligada
diretamente a uma fonte de potência. Porém, adotando esta estratégia compromete a rentabilidade do
processo, principalmente a nível de custos. Pois, para múltiplas cabeças de impressão seriam
necessárias múltiplas fontes de potência. Este problema pode ser ultrapassado recorrendo a um
comutador. Uma fonte de potência pode ser ligada com uma fibra de alimentação a um comutador e,
ligado a este, um certo número de fibras de processamento que distribui um feixe de laser para cada
cabeça, consoante a aplicação e número de cabeças de impressão. No entanto, nesta situação o
comutador está a funcionar como divisor do feixe. Isto é, a potência proveniente da fonte é igualmente
dividida pelas cabeças de impressão. Como o processo de LENS é dinâmico, é necessário alterar a
Feixe de laser
Colimação e focagem do feixe
26
potência média durante o processamento em cada cabeça. Desta forma, pode-se instalar um shutter
(Figura 3.5) por cada cabeça e permite controlar o feixe de laser. Este é montado entre cada saída do
comutador e cada uma das cabeças.
Figura 3.5: Exemplo de configuração entre um shutter, uma fonte de potência e uma cabeça de processamento. Traduzido de [54]
Além da funcionalidade e redução de custos, o comutador e o shutter providenciam uma fácil
substituição das fibras de processamento, seja para alteração de parâmetros, por dano na fibra ou
modificação da estrutura da impressora. Caso ocorra dano, a fonte de potência permanece intacta e
operacional nos restantes canais. Como exemplo, a IPG Photonics disponibiliza comutadores com 2,
3, 4, ou 6 canais de saída. Cada componente encontra-se disponível em múltiplas configurações
dependendo da escolha da fonte de potência, série e tamanho. Todos os comutadores e shutters
possuem um sistema de proteção que monitoriza constantemente a posição dos espelhos, ligações e
luz no interior e o fluxo de arrefecimento de água para diversos componentes [48]. A Figura 3.6 ilustra
um exemplo de configuração e respetivas ligações de um comutador de 4 canais de saída com uma
fonte de potência e quatro cabeças de processamento.
3.2. Sistema ótico
O sistema ótico é responsável essencialmente pelas operações de colimação e focagem do feixe. Com
a existência de diferentes gamas de lentes obtém-se diversos parâmetros de processamento,
consoante o pretendido. Deste modo, a troca entre lentes é mais fácil que a troca entre fibras óticas.
Portanto, é adicionado um sistema ótico constituído, primeiramente, por (1) uma lente colimadora e
(2) uma lente focal. Como a alimentação do metal se dá na forma de pequenas partículas de pó é
acrescentada (3) uma lente protetora. Esta lente retém as partículas e evita a contaminação das
restantes lentes. Consoante a potência média do laser, o sistema ótico pode ou não incluir (4) um
subsistema de refrigeração para as lentes.
Fonte de potência
Cabeça de processamento
Shutter
27
Figura 3.6: Exemplo de configuração e ligações com um comutador de 4 canais de saída. Adaptado de [54].
3.2.1. Lente colimadora
Para garantir um desempenho consistente do feixe pode ser utilizado uma lente colimadora,
independentemente da sua distância com a lente focal. O colimador é responsável pela paralelização
do feixe de laser [52]. A Figura 3.7 ilustra o feixe colimado após a passagem da lente colimadora.
Figura 3.7: Esquematização do fenómeno de colimação. Adaptado de [55].
3.2.2. Lente focal
O diâmetro do feixe desejado é o parâmetro com maior influencia na determinação do tipo de lente
necessária. Os parâmetros geométricos mais importantes de uma lente são: espessura da aresta,
distancia focal efetiva e distancia focal traseira. O desempenho de uma lente é medido pela sua
distância focal. A distância focal é a distância entre o centro da lente e o ponto focal. A distância focal
efetiva é a distância desde o plano de abertura e o plano focal. Trata-se da distância desde o plano
principal no qual o feixe é defletido até o ponto focal. A distância focal efetiva é a distância usada para
calcular a curvatura da lente. A distância entre o ponto da superfície traseira ao ponto focal, medido ao
longo do eixo ótico, é designada por distância focal traseira [52]. A Figura 3.8 esquematiza alguns dos
parâmetros assinalados.
Lentes óticas com uma distância focal superior apresentam uma maior profundidade de campo,
permitindo uma maior tolerância para irregularidades na superfície. A lente pode ser colocada a uma
grande distância de trabalho reduzindo a probabilidade de dano e fornece mais espaço para outros
componentes. Por um lado, uma distância focal superior produz maiores pontos focais com menor
densidade de potência. Por outro, uma lente com uma distância focal inferior leva a menores pontos
Fibra de alimentação Fibras de
processamento
Comutador
Fonte de potência
Cabeças de processamento
Feixe colimado
Lente colimadora
28
focais e dificulta o acesso. Logo, é necessário uma precisão extrema para se alcançar uma densidade
de potência essencial ao processo [52].
EC Espessura ao centro
EA Espessura da aresta
DFT Distância focal traseira
DFE Distância focal efetiva
Figura 3.8: Representação de parâmetros de uma lente focal plano-convexa. Adaptado de [56].
De acordo com a sua função, as lentes podem ser classificadas em convergente ou divergente. Como
se pretende convergir o feixe de laser, a maioria das lentes focais usadas são plano-convexa ou
côncavo-convexa (Figura 3.9). As lentes plano-convexas são caracterizadas por uma superfície plana
e outra convexa. Estas lentes são as mais económicas pela facilidade e por uma quantidade reduzida
de material no seu fabrico. São a escolha ideal para distâncias focais superiores a 20 cm, apesar de se
encontrarem disponíveis com distâncias focais efetivas de 2.5 – 25 cm. A espessura da aresta é
tipicamente de 3 – 4 mm. O lado convexo deve estar posicionado na direção de entrada do feixe.
Relativamente às lentes côncavo-convexas, estas são caracterizadas por duas superfícies esféricas.
Produzem um ponto focal menor comparativamente às lentes plano-convexa, à mesma distância focal.
Encontram-se disponíveis também com distâncias focais efetivas de 2.5 – 25 cm. Contudo, apresentam
um custo superior quando comparadas às primeiras [52].
a) Lente plano-convexa b) Lente côncavo-convexa
Figura 3.9: Lentes convergentes: a) plano-convexa e b) côncavo-convexa [52].
3.3. Sistema de alimentação
O sistema de alimentação é responsável pelo transporte das partículas de pó até à zona de deposição.
O sistema é constituído por (1) um alimentador de pós, (2) tubos de alimentação e (3) um nozzle que
pode ter três configurações: lateral, coaxial contínuo ou coaxial descontínuo.
3.3.1. Alimentador de pós
As partículas de pó são caracterizadas por diversos tamanhos, formas e propriedades físicas e
mecânicas. Por isto, é quase impossível de transportar um fluxo de pó estacionário utilizando apenas
um único tipo de alimentador. Com a diminuição do tamanho de grão de pó, isto é, para pós ultrafinos
EC EA
DFT DFE
29
com tamanhos inferiores a 15 µm, a sua fluidez também diminui, levando a problemas de transporte. A
fluidez também diminui com a coesão dos pós ao longo do seu percurso. A razão entre o volume de ar
e a quantidade pó também apresenta um papel importante. Por estas razões, são necessários
diferentes alimentadores para diferentes tipos de pó. Por conseguinte, um alimentador deve
proporcionar um fluxo de pó contínuo e uniforme, com elevada precisão de taxa de deposição de
material [28].
Em geral, existem quatro tipos de alimentadores consoante os seus princípios de operação:
(1) gravidade, (2) roda mecânica, (3) camada de fluido e (4) vibração. Há alguns casos em que os
alimentadores se baseiam numa combinação de diversos princípios. Em todos é injetado um gás de
suspensão para transporte do pó, desde o alimentador até à zona de deposição [28].
O alimentador por gravidade baseia-se num mecanismo de pesagem eletrónico por células de carga
com pratos rotativos. A velocidade de rotação e a dimensão da ranhura do prato controlam a taxa de
alimentação do pó [28]. Este tipo de alimentadores são os mais comuns comercialmente. A Figura 3.10
mostra um alimentador baseado em gravidade da empresa OR Laser. Este alimentador apresenta dois
contentores independentes sendo possível recorrer a ambos durante o processo dependendo da
aplicação: (1) processamento com dois metais diferentes, (2) com um só material e taxas de deposição
superiores, ou (3) com duas cabeças de impressão.
Figura 3.10: Sistema de alimentador baseado por gravidade com dois subsistemas independentes [57].
O alimentador com roda mecânica baseia-se num fuso rotativo com diferentes diâmetros que
transportam o pó desde o contentor até a injeção do respetivo pó. Uma das desvantagens é o desgaste
mecânico dos componentes devido à abrasão das partículas [28].
O alimentador de camada de fluido baseia-se nos princípios da mecânica de fluidos, eliminando
componentes mecânicos móveis. O sistema é desenhado de modo que um predeterminado caudal de
gás seja injetado num contentor. O contentor é projetado para que o gás se misture com o pó e depois
transportado para o tubo de alimentação [28].
O alimentador vibracional é constituído por uma travessa plana e um funil. O pó viaja desde o funil até
à travessa. Esta está ligada a um mecanismo de vibração, deixando cair o pó com um taxa de deposição
controlável [28].
30
A implementação de uma impressora com múltiplas cabeças, relativamente à alimentação do pó,
apresenta as mesmas dificuldades que o sistema de laser. Isto é, cada cabeça de impressão implica a
sua ligação com, pelo menos, um tubo de alimentação e respetivo alimentador. Na Figura 3.10, como
exemplo, o alimentador possui dois contentores, sendo apenas possível a sua ligação com duas
cabeças. A introdução de quatro cabeças implica a implementação de dois alimentadores destes. O
raciocínio sucede-se para casos com mais cabeças. Uma solução a ter em conta seria a implantação
dos contentores independentes na estrutura da impressora, ou hipoteticamente cada subsistema
possuir múltiplos tubos de alimentação.
3.3.2. Nozzle
O avanço da tecnologia de nozzles permite distribuir as partículas sobre o banho de fusão de forma
regular e eficiente. No processo de LENS, os nozzles de distribuição de partículas podem ter uma
configuração lateral ou coaxial, e este último pode ainda ser contínuo ou descontínuo. Como a sua
designação o indica, um nozzle coaxial encontra-se montado coaxialmente com o feixe de laser,
imediatamente a seguir ao sistema ótico. Já no caso de um nozzle lateral, este é montado lateralmente,
sendo necessário alinhar e fazer coincidir o feixe de laser e o fluxo de pó na zona de processamento.
A Figura 3.11 representa as configurações dos nozzles e a Tabela 3.1 apresenta as vantagens e
desvantagens das referidas configurações.
a) Nozzle lateral b) Nozzle coaxial contínuo c) Nozzle coaxial descontínuo
Figura 3.11: Diferentes configurações de nozzles no processo de LENS [31].
Analisando a Tabela 3.1, nomeadamente as características associadas à direção de deposição,
reconhece-se que o nozzle lateral se encontra limitado, pois a sua deposição não é axialmente
simétrica. Consequentemente este nozzle não é omnidirecional [58]. Para depositar em todas as
direções é necessário acrescentar um eixo de rotação na cabeça ou na mesa de impressão, o que
torna a impressora 3D mais complexa. O recurso a este nozzle é mais vantajoso em sistemas com uma
mesa rotativa através de um sistema de coordenadas polares. Por conseguinte, a aplicação de um
nozzle coaxial é o mais adequado em impressoras 3D com múltiplas cabeças de impressão para
metais. A escolha entre contínuo ou descontínuo remete-se à aplicação em causa. O nozzle coaxial
contínuo permite depositar cordões mais precisos com largura inferior e eficiência superior, mas com
potências médias do laser inferiores. Também se encontra limitado a um ângulo máximo de 20º de
inclinação em relação à vertical, comparativamente ao nozzle coaxial descontínuo em que este limite
não existe.
31
Tabela 3.1: Vantagens e desvantagens das configurações de nozzles. Traduzido de [31].
Configuração Vantagens Desvantagens Aplicações
Lateral
• Acessibilidade
• Largura do cordão:
0.5 – 25 mm
• Potência do laser até
20 kW
• Deposição
unidirecional
• Eficiência inferior
• Alinhamento entre o
pó e feixe de laser
• Não integrado com
gás protetor
• Deposição
unidirecional
• Requisitos específicos
em termos de
acessibilidade da
peça
Coaxial
contínuo
• Deposição multidirecional
• Largura do cordão:
0.3 – 5 mm
• Potência do laser até 3 kW
• Eficiência até 90%
(diâmetro mínimo de fluxo
de 400 µm)
• Integrado com gás protetor
• Acessibilidade restrita
• Influência da
gravidade (ângulo de
deposição < 20º)
• Deposição 3D com
inclinação de
deposição até 20º
• O melhor com
integração de gás
protetor
Coaxial
descontínuo
• Deposição multidirecional
• Largura do cordão:
2 – 7 mm
• Potência do laser até 5 kW
• Sem influência da
gravidade
• Integrado com gás protetor
• Acessibilidade restrita
• Eficiência inferior
(diâmetro mínimo de
fluxo de 2.5 mm)
• Deposição 3D sem
limite de inclinação
No mercado atual, o Fraunhofer Institute for Laser Technology (ILT) dispõe de uma gama de nozzles
standard ou personalizados consoante a aplicação desejada. A Tabela 3.2 e a Figura 3.12 apresentam
as especificações e ilustrações, respetivamente, de dois dos nozzles coaxiais de Fraunhofer ILT: os
nozzles COAX 8 e COAX 9.
Tabela 3.2: Especificações dos nozzles coaxiais contínuos COAX 8 e COAX 9, Fraunhofer ILT. Adaptado de [59], [60].
COAX 8 COAX 9
Potência do laser (máx)., kW 8 4
Largura do cordão, mm 2 – 10 1 – 4
Taxa de alimentação, g/min 10 – 150 10 – 70
32
a) COAX 8 b) COAX 9
Figura 3.12: Nozzle coaxial contínuo a) COAX 8 e b) COAX 9, Fraunhofer ILT [59], [60].
3.4. Guias motorizadas
O fabrico de peças 3D por AM requer, no mínimo, três graus de liberdade. Adicionalmente, existem no
mercado impressoras com complexidade superior e com mais que três graus de liberdade, como é o
caso da impressora LENS 850-R da Optomec que possui cinco graus de liberdade de movimento.
Portanto, o movimento na impressora 3D com três graus de liberdade pode ser controlado através de
coordenadas polares (RθZ) ou cartesianas (XYZ). Um sistema de coordenadas polares é caracterizado
por um movimento radial (movimento R), um movimento vertical (movimento Z), ambos lineares, e um
movimento angular (movimento θ). Por sua vez, um sistema de coordenadas cartesianas é
caracterizado por um movimento linear nos três eixos (X, Y e Z).
Como em coordenadas cartesianas os graus de liberdade são exclusivamente lineares, estas
impressoras utilizam guias motorizadas lineares. Tipicamente, estas guias são constituídas por fusos e
carros com chumaceiras que deslizam sobre um carril. A Figura 3.13a mostra a guia linear LTM 80F-150
da OWIS, enquanto que a Figura 3.13b apresenta uma das arquiteturas de guia linear aplicada pela
Titan Robotics na impressora The Cronus. Adicionalmente, as guias lineares do conceito de Boto
segundo X são composta por cremalheiras e rodas dentadas.
a) Guia linear OWIS LTM 80F-150 [61] b) Guia linear da impressora The Cronus [46]
Figura 3.13: Exemplos de guias lineares.
Por sua vez e em impressoras de coordenadas polares, duas guias motorizadas são lineares, enquanto
que a terceira é giratória. Neste último caso, é frequente a mesa de impressão ser dotada de um
movimento giratório. Na Figura 3.14 encontra-se a mesa giratória HRT160 da Haas, como exemplo.
33
Figura 3.14: Mesa giratória HRT160 da HAAS [62].
Geralmente, as impressoras que funcionam em coordenadas cartesianas são compostas por mesas
de impressão retangulares. De modo a melhor aproveitarem a área de impressão, as impressoras de
coordenadas polares são constituídas por mesas circulares.
As guias motorizadas são responsáveis pela parametrização da velocidade, aceleração, trajetória e o
incremento em Z e influencia a precisão do processo. Adicionalmente, qualquer guia deve ser capaz
de suportar os esforços a que se sujeita.
Da Secção 2.4, apenas a arquitetura de Jian é caracterizada por um sistema de coordenadas polares.
As restantes seis possuem um sistema de coordenadas cartesianas. Daqui pode-se assumir que o
desenvolvimento de impressoras 3D com múltiplas cabeças de impressão caracterizada por um
sistema de coordenadas cartesianas apresenta um maior interesse industrial comparativamente a um
sistema de coordenadas polares. A grande vantagem de uma impressora de coordenadas polares
poderá ser a precisão superior em processar peças de perfil circular.
Por fim, é de notar que os dois sistemas de coordenadas são capazes de processar a generalidade
das formas 3D. Porém, um sistema pode ser preferível relativamente ao outro, consoante a aplicação.
3.5. Configurações de uma impressora 3D com múltiplas cabeças
independentes
Uma impressora 3D com múltiplas cabeças é composta por um conjunto de impressoras 3D com um
cabeça que trabalham independentemente entre si. Este conjunto é denominado de módulos.
Segundo Groover, um sistema com três graus de liberdade linear (X, Y e Z) pode ter diferentes
configurações, como ilustra a Figura 3.15 [63]. Ainda e por não se encontrar representado, o movimento
segundo o eixo Z pode ser aplicado na mesa de impressão criando novas vertentes de cada
configuração. O movimento da cabeça e/ou mesa de impressão é efetuado então pela ação de guias
motorizadas lineares.
Segundo a Figura 3.15 e independentemente da posição do eixo Z, a implantação de cabeças de
impressão nos braços e travessas na direção Y apenas permite o fabrico de peças iguais e nunca o
fabrico de uma peça em conjunto. À exceção das configurações B e D, é possível acrescentar braços,
travessas e pórticos e as respetivas cabeças na direção X tornando estas independentes. Assim, com
as configurações A, C, E e F é possível fabricar peças de grandes dimensões em conjunto. Isto é, as
configurações que uma impressora 3D com múltiplas cabeças independentes pode assumir são com
34
os três graus de liberdade na cabeça (movimento X, Y e Z) e zero na mesa, ou dois graus de liberdade
na cabeça (movimento X e Y) e um na mesa (movimento Z).
Figura 3.15: Configurações de sistemas com três graus de liberdade lineares [63].
As configurações A, B e C são estruturas abertas, enquanto que D, E e F são estruturas fechadas
(pórtico). Independentemente do número cabeças e para um mesmo peso, as travessas das estruturas
fechadas são mais rígidas que os braços das estruturas abertas. Geralmente, as estruturas fechadas
também atenuam melhor as vibrações na ponta da cabeça.
Considerando os fatores apresentados, para o autor, as configurações baseadas em E e F
(independentemente de Z) são as mais adequadas no desenvolvimento de uma impressora 3D de
LENS de múltiplas cabeças de impressão independentes.
Independentemente da configuração adotada, as dimensões da cabeça de impressão apresentam um
papel determinante no envelope de trabalho, na quantidade de cada cabeça e no tamanho total da
impressora 3D de LENS de múltiplas cabeças independentes, contrariamente a impressoras 3D de
uma cabeça. Para cabeças de impressão com grandes dimensões no plano XY, o envelope de trabalho
terá de ter dimensões elevadas, atendendo à eficiência na sua utilização, assim como o tamanho total
da impressora 3D de LENS de múltiplas cabeças independentes. Portanto, são necessárias cabeças
de impressão com dimensões no plano XY tanto menores quanto possíveis.
3.6. Câmara fechada
Como referenciado na Secção 2.1.5.1, no processo de LENS, a fusão e solidificação do metal de
deposição ocorre numa câmara fechada com recirculação de gás inerte de proteção, tipicamente árgon.
Para evitar a oxidação das peças, a concentração de oxigénio no interior da câmara é mantida perto
ou abaixo das 10 ppm. Adicionalmente, esta câmara fechada permite proteger o utilizador da inalação
a)
)
b)
)
c)
)
d)
)
f)
)
e)
)
35
de pequenas partículas com dimensões aproximadas de 100 µm e também permite um melhor controlo
da temperatura durante o processo.
3.7. Sistemas de monitorização e CNC
As primeiras impressoras 3D existentes no mercado, nomeadamente as impressoras de FDM para
polímeros, não apresentavam sistemas de monitorização dos parâmetros que constituem o processo.
Como tal, são impressoras 3D com sistemas de controlo em anel aberto. Esta característica não permite
ajustar automaticamente os seus parâmetros para corrigir possíveis erros ao longo do processo. Por
sua vez, um sistema de controlo em anel fechado é necessário numa impressora 3D para metais. Com
o desenvolvimento das tecnologias de AM, a implementação de sensores e respetivos sistemas de
monitorização está cada vez mais presente nas impressoras 3D de LENS. Estes sistemas referem-se
à monitorização do feixe de laser, da área de trabalho e da peça (Tabela 3.3).
Tabela 3.3: Parâmetros de monitorização. Adaptado de [29].
Feixe de laser Área de trabalho Peça
Potência Velocidade Temperatura
Diâmetro Vibração, estabilidade
Trajetória Posição do ponto focal
3.7.1. Trajetória
A noção de múltiplas cabeças introduz novos desafios nunca antes considerados em impressoras 3D
com uma cabeça de impressão. Estes novos desafios prendem-se com o planeamento da trajetória
para múltiplas cabeças independentes, que por falta de pesquisa e desenvolvimento não se encontra
normalizado. Basicamente, assume-se que as diversas etapas do processo são comuns às com uma
cabeça, mas cada etapa é mais complexa pelo aumento do número de cabeças de impressão. Frutuoso
resume as etapas principais, como sendo: (1) determinação da orientação, (2) determinação dos
apoios, (3) slicing, (4) posicionamento da peça, (5) particionamento e (6) geração da trajetória para as
múltiplas cabeças [64].
Note-se que a etapa (6) tem de considerar as possíveis colisões entre cabeças de impressão vizinhas.
Assim, qualquer algoritmo tem de ser capaz de evitar estas colisões, mesmo que implique uma
paragem de qualquer das cabeças.
Por fim, o processamento com uma impressora 3D com múltiplas cabeças independentes compromete
as propriedades mecânicas da peça pelo facto de introduzir descontinuidades na deposição do cordão
por cabeças vizinhas. Para minimizar este problema, parte da área de processamento de cada cabeça
tem de ser partilhada com as cabeças vizinhas. Assim, esta parte é alternadamente ocupada por cada
uma das cabeças, camada após camada [40]. A Figura 3.16 representa o resultado da deposição por
duas cabeças de impressão vizinhas.
36
Figura 3.16: Representação da ligação das partes da peça feitas de forma alternada [40].
3.7.2. Temperatura
AM é um processo de deposição de camada após camada. Uma camada é depositada sobre a camada
anterior resultando num perfil de temperatura complexo e dependente do tempo durante o
processamento da peça. Assim, o material pode experienciar repetidas transformações no estado
sólido e líquido-sólido [7].
A monitorização da temperatura é importante no controlo da dureza, dimensões e diluição do cordão.
Como tal, implica a variação de determinados parâmetros, nomeadamente, a potência do laser, o
diâmetro do feixe e/ou a velocidade [29].
O estudo do gradiente de temperatura é apoiado pela análise de simulação numérica de elementos
finitos realizada por Costa et al., cujo resultado se encontra ilustrado na Figura 3.17. A análise consiste
na sobreposição de 10 cordões simples com comprimento de 10 mm, espessura de 0.5 mm e largura
de 1 mm sobre um substrato. Os parâmetros mantiveram-se constantes ao longo da análise, exceto o
intervalo de tempo de deposição entre cordões. Durante este tempo de espera, 𝛥𝑡, o material
depositado arrefece, essencialmente devido à condução de calor do substrato. A temperatura baixa até
um determinado valor com o aumento de 𝛥𝑡. A uniformidade da distribuição de temperatura antes da
deposição de um novo cordão também depende de 𝛥𝑡. Para um 𝛥𝑡 superior, o objeto depositado
apresenta uma distribuição de temperatura uniforme, enquanto que esta distribuição é menos uniforme
para um 𝛥𝑡 inferior. A diminuição de 𝛥𝑡 aumenta a temperatura média do material depositado durante
o processo de deposição, levando a um aumento progressivo das dimensões do banho de fusão [65].
Este aumento da dimensão do banho de fusão compromete a qualidade da peça. Como a distribuição
de temperatura ao longo do processamento da peça é desconhecido, independentemente de 𝛥𝑡, é
fundamental a implementação de um sistema de monitorização da temperatura.
Assim, a implementação de um sistema em anel fechado de controlo de temperatura permite garantir
a qualidade do processo. Griffith et al., para a Sandia Corporation, apresentaram uma patente deste
tipo de sistema. Esta consiste na análise em tempo real de imagens térmicas das condições do
processo [66].
37
Figura 3.17: Gradiente de temperatura (ºC) com tempo de espera entre deposições: a) Δt=2s e b) Δt=5s [65].
No mercado encontram-se diversos aparelhos adequados para a leitura e monitorização da
temperatura.
3.7.2.1. Termómetros de radiação
Os termómetros de radiação são baseados na lei de Planck da emissão térmica de radiação
eletromagnética. Neste grupo de sensores de temperatura sem contacto com o banho de fusão
incluem-se os pirómetros e as câmaras de obtenção de imagem térmica infravermelha. Estes sensores
estimam a temperatura a partir da quantidade de radiação eletromagnética térmica infravermelha
recebida pelo objeto a medir [28].
Relativamente a pirómetros, estes permitem medir valores de temperatura quase instantaneamente.
Estes podem ser pirómetros de uma ou de duas cores. A diferença regista-se na medição de energia
infravermelha de um ou dois comprimentos de onda, respetivamente [28].
Relativamente a câmaras de obtenção de imagem térmica, nomeadamente CCD, CMOS e EMAqS, a
medição é feita sobre uma área que resulta num mapa de temperatura da zona examinada. A câmara
pode ser também usada na determinação do comprimento, largura, área do banho de fusão e do feixe
de laser [28].
A utilização destes tipos de sensores, por se tratarem de sensores de não-contacto e medirem
temperaturas até os 3300ºC, é a mais adequada para a medição e monitorização da temperatura do
banho de fusão ao longo de todo o processo [67].
A escolha entre pirómetros e câmaras depende da aplicação e da precisão. O valor de temperatura
medido por pirómetros é gerado por uma diferença de potencial de um termopar. O valor é uma média
de temperatura da área de ação do pirómetro, pelo que não é possível medir a área do banho de fusão,
ou o diâmetro do feixe de laser. No entanto, por ser constituído por um conector, um cabo de fibra ótica
e uma placa de processamento de dados, a sua implementação é facilitada. No caso das câmaras de
obtenção de imagem térmica, a sua aplicabilidade é dificultada pela estrutura única com dimensões e
massa superiores comparativamente aos pirómetros.
Analisando o mercado atual, a empresa Sensortherm dispõe de pirómetros de uma e de duas cores da
série Metis H3 para aplicações de AM. Os pirómetros de uma cor efetuam 50 000 medições por
segundo e permitem medir temperaturas até 2500º. Por sua vez, os pirómetros de duas cores efetuam
25 000 medições por segundo e permitem medir temperaturas até 3300ºC. Os pirómetros podem ser
compostos ou não por fibra ótica. Outras empresas como a LumaSense Technologies, Micro-Epsilon e
a) b)
38
DIAS Infrared Systems dispõem de uma gama de câmaras de obtenção de imagem térmica que
monitorizam temperaturas que variam desde -20 a 3000ºC, com dimensões de 65 × 160 × 80 mm, um
peso de 0.7 kg e com um intervalo de gamas espetrais de 0.8 a 14 µm. Por sua vez, a empresa
Stratonics encontra-se especializada em câmaras e respetivos softwares para aplicações em AM, com
um intervalo de temperaturas de 1000 a 2500ºC, dimensões de 158 × 165 × 89 mm e um peso de 2.3
kg. Adicionalmente, encontra-se em estudo uma câmara com dimensões e peso inferiores de
86 × 152 × 86 mm e 0.45 kg, respetivamente (Figura 3.18c) [68]–[71]. Na Figura 3.18 encontra-se um
pirómetro e duas câmaras de obtenção de imagem térmica de algumas das empresas referidas acima.
a) Pirómetro Sensortherm
Metis H3 [67]
b) Câmara LumaSense Technolo-
gies MIKRON MCS640 [68]
c) Câmara Stratonics IR
Global Heat Flow Sensor [71]
Figura 3.18: Exemplos de pirómetro (a) e câmaras (b, c) de obtenção de imagem térmica infravermelha.
A montagem e implementação de um pirómetro com fibra ótica na cabeça de impressão pode ser
implementada como representa a Figura 3.19. Nos casos de pirómetros sem fibra ótica ou câmaras de
obtenção de imagem térmica, a sua montagem e implementação também é semelhante à Figura 3.19.
Figura 3.19: Possíveis montagens e implementações de um pirómetro com fibra ótica numa cabeça de
impressão. Traduzido de [67].
3.7.2.2. Pirómetros óticos
Estes sensores são também baseados na lei de Planck. O seu componente principal é um filamento
operado a corrente constante. Um filtro de densidade variável provoca alterações na luminosidade do
filamento que é detetável pelo utilizador quando comparado com a luminosidade do objeto a medir [28].
3.7.2.3. Pirómetros acústicos
O funcionamento destes sensores consiste na medição da velocidade do som do banho de fusão que
é função da temperatura. Os pirómetros acústicos são caracterizados pela sua baixa sensibilidade [28].
Conector Conector
Conector
Fibra Fibra Fibra
Pirómetro Pirómetro Pirómetro
Laser Laser Laser
39
3.7.2.4. Termopares
Estes aparelhos analógicos baseiam-se no efeito termoelétrico, no qual a junção de dois fios metálicos
dissimilares gera uma diferença de potencial que é função da temperatura [63]. Os limites de medição
da temperatura por termopares de tungsténio-rénio e platina-ródio são 2400 e 1480ºC, respetivamente.
No entanto, por se tratarem de sensores de contacto e provocarem perturbações no banho de fusão,
não são indicados para o processo de LENS [28].
3.8. Cabeça de impressão completa
A cabeça de impressão de uma impressora de LENS é constituída por alguns dos subsistemas
referenciados ao longo do presente capítulo. Devido ao crescimento do processo de LENS, várias
empresas dispõem de um sistema completo caracterizado por um sistema ótico, um nozzle coaxial e
uma conexão para pirómetros ou câmaras de obtenção de imagem térmica e outra para o conector de
laser. Estas conexões permite uma instalação rápida e fácil na estrutura de uma impressora 3D de
LENS.
Uma empresa que se inclui nas referidas no parágrafo anterior é a KUKA que dispõe de dois sistemas:
MWO-I Powder e Motorized Powder Zoom-Optics. O último possui um armazém de lentes que permite
mudar automaticamente as características do feixe de laser e, consequentemente, do cordão
depositado ao longo do processo. Ambos são também constituídos por um nozzle coaxial de
Fraunhofer ILT. A Figura 3.20 ilustra os dois sistemas referenciados e a Tabela 3.4 compara as
respetivas especificações entre os sistemas. Apesar de apresentar uma maior versatilidade devido ao
sistema com lentes motorizadas, o Motorized Powder Zoom-Optics apresenta um peso e dimensões
superiores relativamente a MWO-I Powder, o que compromete as dimensões do envelope de trabalho
e o tamanho total da impressora (Secção 3.5) [72], [73].
Tabela 3.4: Especificações e comparações entre MWO-I Powder e Motorized Powder Zoom-Optics [72], [73].
MWO-I Powder Motorized Powder Zoom-Optics
Peso, kg ~ 7 ~ 10
Dimensões, mm ~ 180 × 160 × 320 ~ 250 × 180 × 400
Distância focal, mm ~ 200 ~ 185
Abertura ótica (máx.), mm 30
Potência laser (máx.), kW 4
Comprimentos de onda
indicados, nm 900 – 1080
Diâmetros do feixe, mm 0.5 – 4.5
40
a) MWO-I Powder [72] b) Motorized Powder Zoom-Optics [73]
Figura 3.20: Sistemas disponível para LENS da empresa KUKA.
Também a empresa Laserline dispõe de um sistema semelhante, mas com uma potência de laser
máxima de 20 kW. O sistema dispõe de um design modular que permite ao utilizador alterar as suas
características. A Figura 3.21 ilustra as ligações e conexões existentes na montagem de uma cabeça
de impressão da Laserline.
1 Conector LLK-B
2 Conector LLK-D (auto)
3 Conector LLK-C
4 Conexão LLK-B
5 Conexão LLK-D (auto) e LLK-C
6 Suporte para lentes
7 Chapa base
8 Lentes colimadoras
9 Interface para pirómetro de duas cores
10 Pirómetro de uma cor
11 Câmara CMOS
12 Câmara EMAqS
13 Unidade de ligação de 0º
14 Unidade de ligação de 90º
15 Adaptador para componentes auxiliares
16 Elemento de homogeneização
17 Ótica telescópica
18 Módulo de múltiplos pontos
19 Lentes focais
20 Slide de troca rápida
21 Slide, padrão
22 Módulo de refrigeração do nozzle
23 Nozzle
24 Nozzle retangular
25 Crossjet
Figura 3.21: Representação do kit de construção do sistema modular da Laserline. Traduzido de [74].
3.9. Parâmetros-chave do processo de LENS
O revestimento a laser (laser cladding) é um processo que recorre a um feixe de laser para fundir o
material de revestimento depositando a camada fina de material sobre um substrato. Este processo
tem como objetivo a proteção do substrato contra o desgaste e/ou corrosão. O revestimento a laser
1 2
3
4 5
8
7
6
6
9
10 11
12
13 14
15
15
16
17 18
19
20 19
22 20
21
24 23
25
41
pode ser considerado um processo simplificado de LENS, apenas de uma camada. Por ser mais antigo,
encontra-se mais desenvolvido e estabelecido no universo científico.
Pela presença de diversos parâmetros que caracterizam o processo de LENS, a sua inter-relação é
extensa. Atualmente, ainda não é possível estabelecer as melhores combinações. Pela semelhança, é
possível transpor, dentro de certos limites, o conhecimento adquirido do revestimento a laser para
LENS.
A Figura 3.22 sumariza os diversos parâmetros-chave característicos de LENS agrupados em variáveis
de entrada e saída e processos.
Entrada
Processos
Saída
Laser
• Potência média
• Perfil temporal
• Largura de pulso*
• Frequência*
• Potência de pico
• Comprimento de onda
• Polarização
• Qualidade do feixe
• Distribuição espacial
• Diâmetro do feixe
Material
• Densidade
• Condutividade térmica
• Capacidade térmica
• Calor latente de fusão
• Temperatura de fusão
• Temperatura de vaporização
• Volatilidade
• Entalpia
• Morfologia da partícula
• Distribuição
• Contaminação
• Taxa de deposição
• Perfil do jato de pó
Fenómenos
físicos
• Absorção
• Emissão
• Difusão
• Condução
• Dinâmica e forma
do banho de
fusão
• Interação gás e
banho de fusão
• Atenuação do
laser pelo pó
• Solidificação
rápida
Qualidade de
deposição
• Geometria
• Microestrutura
• Dureza
• Fissuras
• Porosidade
• Tensões
residuais
• Rugosidade
superficial
• Diluição
Movimento
• Velocidade
• Aceleração
• Precisão do sistema
• Trajetória
• Incremento em Z
Ambiente
• Gás de proteção
• Pressão
• Nível de oxigénio
* para laser pulsado
Figura 3.22: Parâmetros de entrada e saída e processos de LENS. Traduzido e adaptado de [28], [75].
Apesar do processo de LENS ser caracterizado por 31 parâmetros de entrada, apenas uma parte é
controlável pelo utilizador: (1) potência média do laser, (2) diâmetro do feixe de laser, (3) velocidade,
(4) aceleração, (5) trajetória, (6) taxa de deposição de pó, (7) nível de oxigénio, (8) incremento em Z,
(9) largura do pulso e (10) frequência (estes dois últimos no caso de um laser pulsado). Após a escolha
de uma fonte de potência laser, o material a processar e o gás de proteção, os restantes parâmetros
ficam automaticamente definidos.
42
(1)
(2)
Devido aos numerosos parâmetros envolvidos no processo, como representa a Figura 3.22, o processo
de revestimento a laser apresenta algumas correlações entre parâmetros que ajudam a descrever a
qualidade do processo de LENS.
3.9.1. Parâmetros combinados de densidade de energia e de deposição de pó
Existem diferentes métodos que correlacionam alguns dos parâmetros da Figura 3.22 e podem ser
categorizados consoante o perfil temporal do feixe de laser: contínuo ou pulsado.
3.9.1.1. Parâmetros combinados para feixes de laser contínuos
Weerasinghe e Steen utilizaram um método de revestimento a laser de injeção de pó, cujos resultados
permitiram criar mapas de processamento nos quais a janela de operação está representada em função
da potência do feixe de laser e a taxa de deposição de pó. Esta janela encontra-se limitada por três
fronteiras [58]:
• O limite de diluição (𝑗), que corresponde à potência do feixe de laser (𝑃) necessária à fusão do pó
e de uma camada muito fina de substrato para uma taxa de deposição constante, �̇� . É dado por
𝑗 ≥ 𝑃/2𝑟�̇�, onde 𝑟 é o raio do feixe incidente. Por exemplo, para uma liga de revestimento de
cobalto, estes autores estimaram que 𝑗 ≈ 2500 J/g.mm.
• O limite da relação de aspeto, que corresponde à taxa de deposição de pó a uma potência
absorvida fixa do feixe de laser que permite a sobreposição de cordões sem defeitos. Em geral,
de modo a evitar porosidade entre deposições, a relação de aspeto assume valores de 𝑤/ℎ > 5,
onde 𝑤 é a largura e ℎ a altura do cordão.
• O limite da potência, o qual corresponde à potência mínima do feixe de laser absorvida necessária
à fusão do substrato. O limite é dado por 𝐼 = 𝑃(1 − 𝑅 − 𝑠)/2𝑟𝑈, onde 𝑅 é a refletividade, 𝑠 é um
coeficiente de sombra e 𝑈 é a velocidade.
Também Wu et al. introduziram dois parâmetros combinados, resultando numa interpretação mais
simples, denominados de densidade de energia específica 𝐸𝑒𝑠𝑝 [J/mm2] e densidade de deposição de
pó 𝐺 [g/dm2], que são expressadas por
𝐸𝑒𝑠𝑝 =𝑃
2𝑈𝑟
𝐺 =�̇�
2𝑈𝑟
onde 𝑃 é a potência do laser [W], 𝑈 é a velocidade [mm/s], 𝑟 é o raio do feixe de laser no substrato
[mm] e �̇� é a taxa de deposição de pó [g/min]. A análise mostra que 𝐸𝑒𝑠𝑝 crítico varia linearmente com
𝐺 crítico e que a qualidade da camada se encontra relacionada com 𝐸𝑒𝑠𝑝 e 𝐺. A Figura 3.23 mostra a
correlação entre 𝐸𝑒𝑠𝑝 [J/mm2] e 𝐺 [g/m2] e as condições críticas no revestimento entre um substrato de
aço A3 e um pó de uma liga de cobalto [28], [76].
43
(3)
(5)
(6)
(4)
Figura 3.23:Correlação entre a energia específica, densidade de deposição de pó e os seus efeitos num cordão de liga de cobalto num substrato de aço. Traduzido de [28].
3.9.1.2. Parâmetros combinados para feixes de laser pulsados
Os parâmetros combinados de densidade de energia efetiva 𝐸𝑒𝑓 [J/mm2] e de densidade de deposição
de pó efetiva 𝜓𝑒𝑓 [g/mm2], para um feixe de laser pulsado, e são expressos por
𝐸𝑒𝑓 =𝐸𝐹
𝐴𝑒𝑓
𝜓𝑒𝑓 =�̇�𝐹𝑊
𝐴𝑒𝑓
onde 𝐴𝑒𝑓 é a área efetiva por segundo irradiada pelo feixe de laser e fluxo de pó [mm2/s], 𝐸 é a energia
do pulso [J], 𝐹 é a frequência do pulso [Hz], 𝑊 é a largura do pulso [s] e �̇� é a taxa de deposição de
pó [g/s]. Relativamente à área efetiva, esta é dada por
onde,
𝑦 = √𝑟2 − (1 −𝐹𝑊
𝑈)
2
𝑈 é a velocidade [mm/s] e 𝑟 é o raio do feixe de laser no substrato [mm]. Na Equação 4, devido à
ausência de energia, é assumido que entre pulsos não existe deposição de pó. Relacionando os
parâmetros 𝐸𝑒𝑓 e 𝜓𝑒𝑓, é possível obter um gráfico representativo. A Figura 3.24 mostra a relação entre
10 0 110 90 70 50 30 10
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
20
30
40
50
60
Energ
ia e
specíf
ica (
J/m
m2)
Espessura
do c
ord
ão (
mm
)
Densidade de deposição de pó (g/m2)
Condição crítica
Condição fina
Correlação entre energia específica e densidade de deposição de pó
Correlação entre densidade de deposição de pó e espessura do cordão
para 𝑟 >1−𝐹𝑊
2𝐹𝑈
𝐴𝑒𝑓 = ൝𝜋𝑟2 + 2𝑈𝑟 − 2𝐹
1 − 𝐹𝑊
𝐹𝑈𝑟 −
1 − 𝐹𝑊
2𝐹𝑦𝑈 − 𝑟2 ቀ
𝜋
2sin−1 ቀ
𝑦
𝑟ቁቁ൨
𝜋𝑟2𝐹 + 2𝑈𝑟𝑊𝐹
para 𝑟 ≤1−𝐹𝑊
2𝐹𝑈
44
estes dois parâmetros e os seus efeitos, no caso de um revestimento com uma liga de ferro sobre um
substrato de aço macio [28].
Figura 3.24: Correlação entre a densidade efetiva de energia e a densidade efetiva de deposição de pó para um revestimento de liga de ferro sobre aço macio. Traduzido de [28].
3.9.1.3. Influência dos parâmetros combinados
A quantidade de calor fornecida define os valores para a temperatura do banho de fusão e a taxa de
arrefecimento. Consequentemente, os parâmetros de densidade de energia e deposição de pó estão
relacionados indiretamente com a microestrutura e as suas propriedades. Emamian et al. estudaram
os efeitos dos parâmetros de laser na morfologia de TiC. Variando os parâmetros referenciados,
registaram-se grandes alterações na microestrutura. Mesmo mantendo os parâmetros combinados
constantes e alternando os parâmetros do feixe de laser, os resultados na microestrutura variam. Isto
deve-se à alteração do calor fornecido por cada combinação de parâmetros [77], [78].
3.9.2. Densidade de potência em função do tempo
Os parâmetros combinados referenciados na Secção 3.9.1, nem sempre são adequados em quantificar
e caracterizar o processo, nomeadamente, a densidade de energia. Se uma área é depositada
rapidamente, com um diâmetro de feixe pequeno, então ocorrerão temperaturas localizadas elevadas.
Por conseguinte, a taxa de arrefecimento será alta e o resultado pode ser diferente para uma deposição
lenta e com um diâmetro superior. Por conseguinte, é necessário fornecer e relacionar a densidade de
potência com o tempo de interação entre o laser e o material [33].
As diferentes técnicas de processamento de material em função da potência do laser e do tempo de
interação são ilustradas na Figura 3.25. Os processos são divididos em três classes: aquecimento (sem
fusão/vaporização), fusão (sem vaporização) e vaporização. Todas as operações de processamento
por laser poder ser definidas pela combinação entre densidade de potência e tempo de interação. A
densidade energética (J/mm2), por si só, não é recomendada por não permitir a descriminação entre
120
100
1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 x 10
-3
20
40
60
80
140
160
Densidade efetiva de deposição de pó (g/mm2)
Densid
ade
efe
tiva d
e e
nerg
ia(J
/mm
2)
Camadas de boa qualidade
Rugosidade, porosidade e fendas
Camadas frágeis
Não-deposição
45
as várias técnicas. Por exemplo, tanto para revestimento como para fusão do material, 1 J/mm2 de
densidade energética caracteriza ambos os processos [33].
Figura 3.25: Correlação entre a densidade de potência e tempo de interação para diferentes técnicas a laser. Traduzido e adaptado de [28].
Como representado na Figura 3.25, o processo de revestimento a laser requer uma densidade de
potência entre os 10 e 100 W/mm2 e um tempo de interação entre 0.01 e 1 s. No entanto, estes
intervalos estão ainda dependentes das características do laser, assim como da qualidade, perfil
temporal e distribuição espacial do feixe de laser.
3.9.3. Considerações finais
Da Secção 3.9, o processo de LENS é caracterizado por 31 parâmetros-chave e apenas 10 são
controláveis pelo utilizador. Pelo elevado número de parâmetros, o estudo deste processo por meios
experimentais ou analíticos torna-se pesado, relativamente ao tempo e custo necessários. Apesar de
a definição de modelos para simulação poder ser tão pesada e complexa como os meios experimentais
e analíticos, o processamento de dados por um computador torna-se mais leve para o utilizador e
permite uma maior liberdade na alteração de valores. Posteriormente, os dados filtrados por simulação
numérica devem ser comprovados experimentalmente.
10-8 10
-6 10
-4 10
-2 1 100
102
104
106
108
Ablação
Soldadura
Fusão Alloying
Revestimento
Corte
Furação
Glazing
FUSÃO
VAPORIZAÇÃO
AQUECIMENTO
Estereolitografia
Endurecimento
FUSÃO
Tempo de interação (s)
Densid
ade
de p
otê
ncia
(W
/mm
2)
46
4. Sistema de deposição de pó assistida por laser
existente no CeFEMA
O Capítulo 3 apresenta os sistemas, equipamentos, parâmetros e fenómenos físicos inerentes ao
desenvolvimento de uma impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão para o fabrico
de peças de grandes dimensões em metal. Porém, antes de se desenvolver esta impressora 3D é
fundamental obter um conhecimento próprio e prático da deposição de pó assistida por laser.
Naturalmente, surge a necessidade de simplificar o problema, nomeadamente estudar os fenómenos
físicos e os seus resultados, numa impressora 3D de metais com uma só cabeça de impressão. Para
tal, recorreu-se a um sistema de deposição de pó assistida por laser existente no Laboratório de Laser
do Instituto Superior Técnico da Universidade de Lisboa, utilizado pelo Centro de Física e Engenharia
de Materiais Avançados (CeFEMA).
Este centro de investigação tem com objetivo contribuir para o avanço da ciência e engenharia de
materiais e promover a transferência de conhecimento e tecnologia para o desenvolvimento regional,
nacional e internacional através da realização de projetos orientados para a indústria [79].
No entanto, este sistema de deposição referido não se encontra preparado para a realização de estudos
do processo de LENS. Portanto, o presente capítulo aborda as necessidades a considerar na sua
otimização.
4.1. Descrição dos equipamentos existentes no CeFEMA
O sistema inicial presente no CeFEMA (Figura 4.1) é constituído por uma (1) fonte de potência laser de
fibra YLR 200 AC da IPG Photonics e respetivo cabo de fibra ótica e conector, (2) um sistema ótico
composto por uma lente focal convergente e uma lente colimadora, (3) um alimentador de pós
TWIN 10 COMPACT da PLASMA TECHNIK AG de pratos rotativos, (4) um nozzle lateral e respetivas
guias linear e angular (5) três guias motorizadas de movimento linear LTM 80F-150 da OWIS, (6) uma
câmara de luvas fechada de gás inerte e uma antecâmara e (7) um sistema CNC.
4.1.1. Laser de fibra IPG YLR 200 AC
A fonte de potência laser existente no sistema inicial é um laser de fibra YLR 200 AC da IPG Photonics.
Trata-se de um laser para aplicações industriais, arrefecido a ar, de baixo custo e com uma distribuição
espacial gaussiana. Como exposto na Secção 2.2.3, lasers com esta distribuição espacial não são os
mais indicados para aplicações de LENS, sendo que qualquer outro dos três tipos de lasers (multimodo,
quadrado e top hat) são os mais apropriados. Segundo o fabricante, o laser em questão apresenta as
características óticas e gerais exibidas na Tabela 4.1.
4.1.2. Sistema ótico
O sistema ótico constituinte do sistema inicial trata-se apenas de um único componente cilíndrico
(Figura 4.2) constituído por duas lentes: uma lente focal convergente e uma lente colimadora. Este
componente apresenta as dimensões de Ø36 × 15 mm.
47
Figura 4.1: Sistema de deposição de pó assitida por laser do CeFEMA.
Tabela 4.1: Características óticas e gerais do laser de fibra IPG YLR 200 AC. Traduzido de [80].
Características óticas
Comprimento de onda, nm 1070 ± 10
Perfil temporal Contínuo/modulado
Frequência de modulação, kHz 0 – 50
Potência média, máx, W 200
Capacidade de ativação, % 10 – 100
Estabilidade da potência*, % ± 0.5
Ruído ótico**, % < 2 RMS, tipo 1
Beam Parameter Product, mm × rad 0.37
Características gerais
Dimensões, mm 448 × 500 × 177
Peso, kg < 30
Arrefecimento Ar
Tensão Monofásica 50/60 Hz 100-240 VAC
Consumo de potência, W 700
* ao fim de 4 horas e temperatura constante
** 10 kHz a 10 MHz
Computador
Câmara de luvas
Laser de fibra IPG YLR 200 AC
Antecâmara
Guia OWIS LTM 80F-150
48
Pela escassez de informação disponível, não é possível definir todos os parâmetros deste componente.
Porém, é possível determinar a distância focal traseira (Figura 3.8) experimentalmente. Esta análise
consistiu na emissão de um feixe de laser de 200 W, a diferentes alturas, durante um tempo de emissão
de 100 ms, num total de 15 pontos discretos. O ensaio recorreu ao programa desenvolvido por Torres
(Figura 4.9) e, como tal, as marcas discretas sucessivas encontram-se espaçadas de 2 mm.
Tratando-se de um ensaio através da marcação de pontos discretos, a definição do valor da distância
focal traseira é aproximada.
Figura 4.2: Sistema ótico do sistema de deposição a laser do CeFEMA.
A Figura 4.3 regista as marcas provenientes do ensaio através de um microscópio ótico. As marcas
mostram a transição entre a zona divergente e convergente do feixe de laser. Logo, a marca com o
diâmetro inferior representa aproximadamente a influência do ponto focal. Da análise da Figura 4.3, a
marca C apresenta o menor diâmetro registado. Esta marca corresponde a uma distância focal traseira
aproximada de 162.5 mm.
Figura 4.3: Registo das cinco marcas com menor diâmetro resultantes da análise experimental.
Relativamente ao diâmetro do feixe de laser, este é dependente do feixe da fonte de potência e do
sistema ótico. Devido às limitações da fonte de potência (potência média e a qualidade do feixe) e do
sistema ótico, o diâmetro mínimo adequado e aproximado do sistema de deposição do CeFEMA no
processamento de material é de 0.8 mm [81].
Por fim, como meio de proteção contra as partículas em suspensão, as lentes óticas são protegidas
por uma electroválvula de árgon que impede a contaminação das mesmas.
49
4.1.3. Alimentador de pós PLASMA TECHNIK AG TWIN 10 COMPACT
O alimentador TWIN 10 COMPACT deriva da versão padrão TWIN 10 e é uma versão mais completa
que esta versão base. A vantagem do alimentador é a sua implementação em instalações concorrentes.
Por conseguinte, basta conectá-lo à rede elétrica e fornecê-lo com um gás de suspensão [82]. O
alimentador referido encontra-se representado na Figura 4.4. Este trata-se de um alimentador por
gravidade.
Figura 4.4: Alimentador de pós TWIN 10 COMPACT da PLASMA TECHNIK AG [83].
O alimentador é constituído por dois contentores independentes de alimentação de pós. Também se
encontra montado sobre quatro rodas que facilitam o seu transporte e mobilidade, não sendo
necessário qualquer fixação ou segurança. No entanto, é preferível colocar o alimentador sobre uma
superfície plana e horizontal para garantir uma dosagem correta de pó [82]. As características inerentes
ao alimentador de pós são apresentadas na Tabela 4.2.
Tabela 4.2: Características inerentes do alimentador de pós TWIN 10 COMPACT da PLASMA TECHNIK AG.
Traduzido de [82].
Pó transportável, µm 2 – 200
Precisão, reprodutibilidade, % < ± 1
Quantidade de pó transportável, kg/h 0.1 – 18
Peso de carregamento (máx.), kg/contentor ± 8
Velocidade de rotação dos pratos, rpm 0.1 – 10
A parametrização da taxa de deposição é dependente do tipo de pó, nomeadamente do tamanho e
forma das partículas e da densidade do material. Portanto, na primeira deposição de um qualquer tipo
de pó é necessário correlacionar a sua taxa de deposição com a velocidade de rotação dos pratos do
alimentador.
50
4.1.4. Nozzle lateral e respetivas guias linear e angular
O nozzle lateral constituinte do sistema inicial encontra-se na Figura 4.5. O nozzle lateral apresenta um
comprimento máximo de 200 mm e é composto por três tubos concêntricos de uma liga de cobre, cujo
diâmetro interior (diâmetro do furo) e exterior são 1.2 e 10 mm, respetivamente.
Figura 4.5: Nozzle lateral do sistema de deposição a laser do CeFEMA.
Por cada variação da altura da cabeça de impressão e, consequentemente, do diâmetro do feixe de
laser é necessário reposicionar o nozzle lateral. Pois, pretende-se coincidir o feixe com o fluxo de pó
na zona de processamento. Para tal, recorre-se a uma guia linear e uma guia angular, ambas manuais
(Figura 4.6). A guia manual angular permite definir o ângulo de incidência das partículas no banho de
fusão.
a) Guia manual linear b) Guia manual angular
Figura 4.6: Guias manuais linear e angular para reposicionamento do nozzle lateral [83].
4.1.5. Guias OWIS LTM 80F-150
O sistema é constituído por três guias OWIS do tipo LTM 80F-150 (Figura 3.13a) responsáveis pelo
movimento linear em X, Y e Z.
A disposição das três guias encontra-se ilustrada na Figura 4.7. Esta configuração foi definida,
justificada e aplicada anteriormente por Torres [83]. Segundo Torres, esta configuração “permite uma
melhor estabilidade do laser durante o processo, uma vez que as amostras são movimentadas no plano
horizontal (XY), não implicando a movimentação do eixo vertical, eixo onde é acoplada a estrutura do
laser. Assim, os problemas de uniformidade e irregularidade do revestimento são minimizados”. Esta
baseia-se na configuração da Figura 3.15b.
As guias, projetadas para aplicações industriais, são de alumínio resistente a deformações, com baixa
refletividade graças ao revestido de cor preta anodizada, fuso de rosca fina de baixa contração e carro
com chumaceira de recirculação de esferas inoxidáveis e com ligação à terra. Os componentes móveis
são protegidos por uma cobertura contra a nuvem de pó. Segundo o fabricante, estas guias lineares
apresentam as características expostas na Tabela 4.3 [84].
51
Figura 4.7: Disposição das três guias lineares LTM 80F-150 da OWIS [83].
Sobre as guias X e Y encontra-se a mesa de impressão. A mesa apresenta dimensões de 68 × 68 mm.
Este valor é inferior ao curso máximo das guias. Portanto, o curso das guias não é totalmente
aproveitado.
Tabela 4.3: Parâmetros constituintes das três guias lineares LTM 80F-150 da OWIS. Traduzido de [84].
Curso, mm 105
Velocidade (máx.), mm/s 10
Capacidade de carga (máx.), N 150
Força de atuação (máx.), N 60
Momento de inclinação (Mx, My, Mz) (máx.), Nm 15
Passo do fuso, mm 1
Repetibilidade (bidirecional), µm < 15
Erro de posição, µm/mm < 25/100
Ângulo de rotação (yaw angle), µrad < 300
Ângulo de passo, µrad < 250
Desvio vertical, µm < 5
Desvio lateral, µm < 8
Tensão do motor (máx.), V 50
Corrente do motor (máx.), A 1.5
Passos por revolução de motor 200
Temperatura ambiente de operação, ºC 10 – 50
Temperatura de armazenamento, ºC - 20 – 70
4.1.6. Câmara de luvas e antecâmara
A estrutura do sistema de deposição consiste numa câmara de luvas e numa antecâmara. A câmara
de luvas confina as partículas no seu interior, protegendo o utilizador da inalação das mesmas. A
antecâmara permite a troca de pequenas amostras sem a necessidade de abrir a entrada principal da
52
câmara e sem desperdício de gás inerte. Para tal, a amostra é introduzida na antecâmara e, de seguida,
é injetado gás inerte no seu interior. Por fim, a fronteira é aberta e com a ajuda das luvas a amostra é
posicionada sobre a mesa de impressão. A câmara de luvas e a antecâmara apresentam dimensões
de 800 × 825 × 865 mm e de Ø200 × 260 mm, respetivamente.
Adicionalmente, requer-se que a câmara de luvas seja estanque. Torres utilizou uma bomba de vácuo
para criar uma diferença de pressão entre o interior e o exterior da câmara. Após a identificação de
fugas, Torres implementou as respetivas correções. Por fim, efetuou um ensaio de estanquicidade com
uma diferença de pressões de 5 kPa, durante 10 minutos. Verificou-se que a diferença de pressão se
manteve constante durante este período de tempo [83].
4.1.7. Sistema CNC
A implementação de um sistema CNC é fundamental para o sucesso das aplicações de LENS. O
programa de controlo presente inicialmente permite controlar simultaneamente os principais
equipamentos do processo: o laser de fibra IPG YLR 200 AC, o alimentador de pós PLASMA TECHNIK
AG TWIN 10 COMPACT e as guias motorizadas de movimento linear (X, Y e Z) OWIS LTM 80F-150.
O laser de fibra permite ser controlado remotamente através do controlo de comunicação RS-232,
através do envio de instruções de comando especificadas pelo fabricante. As guias lineares são
controladas pela placa de controlo SM30 da OWIS através das funções de controlo definidas pelo
fabricante. O alimentador de pós permite ser controlado remotamente através de um conector de
controlo remoto [83]. Para o último, Torres desenvolveu um controlador constituído por um
microcontrolador Arduino Nano (Figura 4.8).
Figura 4.8: Controlador do alimentador de pós desenvolvido por Torres.
Por fim, Torres implementou um software no sistema, ilustrado na Figura 4.9. No separador dos
principais parâmetros do processo (Figura 4.9A), o utilizador define o comprimento, o espaçamento e
o número de cordões, a velocidade, a potência média do laser, a duração do tempo de emissão e a
velocidade rotacional dos pratos do alimentador e, consequentemente, a taxa de deposição de pó. A
determinação do ponto focal do laser efetua-se experimentalmente. Isto é, após a seleção do respetivo
botão (Figura 4.9.E), o sistema realiza 15 emissões de feixe de laser a potência constante, cuja cada
emissão é mantida durante o tempo definido (Figura 4.9.A) com um deslocamento relativo de 2 mm na
direção Y e Z, independentemente da sua posição inicial. Logo, esta função marca na amostra um
53
conjunto de pontos discretos e após uma análise visual dão uma indicação aproximada da posição, em
Z, do ponto focal. No separador do controlo do Arduino (Figura 4.9.F) é possível testar o alimentador
de pós e controlar a electroválvula de árgon para proteção das lentes óticas [83].
A Principais parâmetros do processo
B Iniciar processo de deposição
C Teste de radiação
D Paragem de emergência
E Identificar ponto focal
F Controlo do Arduino
G Mover as guias lineares de X, Y e
Z
H Indicação da posição relativa das
guias lineares de X, Y e Z
I Mover as guias lineares uma
distância relativa em µm
J Procurar os limites das guias
lineares de X e Y e centrar
L Configuração manual da placa
OWIS SM30
M Configuração manual do laser
Figura 4.9: Rotinas implementadas por Torres no controlo do sistema de deposição assistido por laser [83].
4.2. Propostas de melhoramento
O sistema de deposição de pó assistida por laser já foi alvo de melhorias por Torres. O objetivo de
Torres passou por automatizar o sistema alterando a sua arquitetura e implementar um software que
permite variar um certo conjunto de parâmetros-chave do processo de revestimento a laser [83].
Apesar das melhorias implementadas irem em conta às funcionalidades básicas do processo de LENS,
estas não são suficientes. O sistema carece de um sistema de CNC mais completo e rigoroso, de um
nozzle coaxial que, como apresentado na Secção 3.3.2, é o mais adequado para uma impressora 3D
com guias motorizadas lineares e de um isolamento para as peças roscadas contra as partículas de
pó.
4.2.1. Sistema CNC
O programa de software desenvolvido por Torres para o revestimento de uma só camada de material
depositado e com um nozzle lateral realiza trajetórias segundo a direção Y espaçadas de uma distância
definida pelo utilizador. O deslocamento segundo Z é efetuado pelo utilizador após a deposição da
camada no plano XY. O utilizador não tem liberdade em definir trajetórias de deposição.
Após uma experimentação do funcionamento do software, foi possível determinar alguns erros,
nomeadamente no movimento das guias lineares. Os testes permitiram descobrir que os valores de
posição do software (Figura 4.9.H) são inferiores às amostras. Os erros resultantes das guias são tanto
54
superiores quanto maiores forem os seus deslocamentos. A existência destes erros compromete a
qualidade, precisão e rigor do processo de LENS.
Apesar da existência de algumas limitações e erros associados, o programa pode ser corrigido e
adicionadas funcionalidades essenciais ao processo de LENS, nomeadamente um controlo superior na
trajetória de deposição e a implementação de um sistema de monitorização e controlo de temperatura
do banho de fusão. É essencial a implementação de um sistema CNC de controlo em anel fechado de
todos os parâmetros-chave controláveis: (1) potência média do laser, (2) diâmetro do feixe de laser,
(3) velocidade, (4) aceleração, (5) trajetória, (6) taxa de deposição de pó, (7) nível de oxigénio,
(8) incremento em Z, (9) largura do pulso e (10) frequência (estes dois últimos no caso de um laser
pulsado).
4.2.2. Seleção do nozzle
O objetivo inicial do sistema de deposição de pó assistido por laser do CeFEMA é o de revestir
componentes simples e analisar os resultados. Pelo seu baixo custo, o sistema inicial é constituído pelo
nozzle lateral da Figura 4.5. Porém, como referenciado na Secção 3.3.2, as suas aplicações são
limitadas e insuficientes, uma vez que a deposição de pó é unidirecional. Como se pretende obter uma
maior liberdade nas trajetórias, a utilização de um nozzle coaxial é o mais apropriado. Assim, torna-se
possível depositar no plano XY independentemente da trajetória desejada. Para tal, foi desenvolvido
um nozzle coaxial contínuo, que se encontra descrito no capítulo seguinte.
4.2.3. Isolamento das zonas roscadas
O sistema de deposição inicial é composto por componentes roscados que facilitam a montagem e
desmontagem dos mesmos. Como já anotado, é formada uma nuvem de pó ao redor do processo e
dos referidos componentes. Sendo que esta nuvem é constituída por partículas com dimensões
reduzidas (tipicamente 50 – 100 µm de diâmetro), esta contamina os fios da rosca. Por consequência,
a montagem e desmontagem dos componentes roscados são comprometidas.
A Figura 4.10 mostra os efeitos e consequências da nuvem de pó. O componente com os efeitos A, B
e C é o suporte do conector do feixe de laser, enquanto que o componente com os efeitos D e E permite
a ligação do componente anterior com o componente principal onde se situa o sistema ótico. Os fios
da rosca da ligação C encontram-se destruídos. A sua (des)montagem deixou de ser possível. Também
a rosca E se encontra contaminada, mas é possível a sua (des)montagem. Os danos A, B, C e D são
o resultado da tentativa de desmontagem dos dois componentes. Estes dois componentes danificados
foram substituídos por outros dois iguais maquinados com alumínio 6082.
Com a explicação anterior, o isolamento das zonas roscadas torna-se fundamental na preservação dos
componentes roscados. Para tal, são apresentadas duas possíveis soluções: (1) utilização de o-rings
(Figura 4.11) e/ou (2) adicionar uma cobertura de proteção.
55
Figura 4.10: Ligação roscada danificada (C), contaminada (E) e danos durante a desmontagem (A, B e D).
Figura 4.11: Exemplo de o-ring de borracha [85].
56
5. Nozzle coaxial
Como exposto no capítulo anterior, o nozzle lateral é limitado ao nível da deposição para aplicações de
LENS com as três guias lineares. Segundo a Tabela 3.1, um nozzle coaxial permite deposições
multidirecionais. Assim, este é o mais adequado para o sistema de deposição a laser do CeFEMA para
aplicações de AM. A escolha entre um nozzle coaxial contínuo e descontínuo depende, principalmente,
da aplicação. Porém, como se pretende desenvolver um nozzle coaxial, a escolha entre estas duas
configurações depreende, sobretudo, do seu custo de fabrico por maquinação e da disponibilidade de
informação para o seu desenvolvimento.
5.1. Design do nozzle coaxial
De um modo geral, um nozzle coaxial contínuo é caracterizado por canais de fluxo de pó e gás inerte
coaxiais e focados num ponto genérico comum com o feixe de laser, cuja interação leva à fusão do
material de injeção e deposição.
Peng et al., para a General Electric Company, patentearam um nozzle coaxial composto por canais
para a fonte térmica, pó, gás inerte e refrigeração (Figura 5.1ª). Este nozzle não se encontra limitado
apenas a aplicações de feixe de laser. Além de um feixe de laser também se pode recorrer a um feixe
de eletrões ou arco elétrico. Existem quatro canais de condução do pó independentes, distribuídos
simetricamente e localizados, pelo menos, parcialmente no interior do corpo principal. A independência
dos quatros canais permite depositar pós diferentes entre si. Os canais para a fonte térmica e pó
encontram-se apontados para um ponto de convergência comum. Relativamente aos canais de gás
inerte, o nozzle é caracterizado por um canal de gás que se encontra ligado ao canal de fonte térmica
para proteção das lentes óticas contra a entrada de materiais e por outros canais que protegem
diretamente a zona de processamento. A estrutura permite um movimento axial variando a distância
do nozzle à zona de processamento sem variar a posição do ponto focal da fonte térmica [86]. Das
patentes apresentadas, este nozzle é o único coaxial descontínuo.
Buongiorno, para a Chromalloy Gas Turbine Corporation, desenvolveu uma patente cujo cone coaxial
do nozzle é removível e com uma abertura central para o feixe de laser e fluxo de pó (Figura 5.1b). O
nozzle é também composto por diversas aberturas axiais em redor do eixo central, por onde o gás
inerte flui protegendo o banho de fusão contra a oxidação e evitando a dispersão do pó à saída. O gás
inerte também serve como refrigerante do nozzle. O facto de ser constituído por pares de roscas
permite o deslocamento vertical rápido e preciso [87].
Nowotny e Scharek apresentaram um design de um nozzle que permite depositar um fluxo de pó
turbulento com flutuações inferiores a 5%, de geometria cónica e cujo diâmetro do fluxo de pó
corresponde aproximadamente ao diâmetro do feixe de laser na superfície da peça (Figura 5.1c).
Assim, atinge-se uma eficiência de utilização de pó elevada. O nozzle é constituído por canais de
refrigeração cujo líquido é, preferencialmente, água. Este também possui um par de roscas que permite
regular a altura do nozzle relativamente à zona de processamento sem alterar a posição do ponto focal
do laser [88].
57
Sato e Ishikawa apresentaram uma patente, aplicada pela Toyota, de um nozzle montado coaxialmente
a uma cabeça de processamento de laser (Figura 5.1d). A patente trata de uma estrutura que inclui um
anel onde o pó é mantido. Quatro entradas são responsáveis pelo transporte de pó até o anel. A esta
estrutura é conectado um cone constituído por múltiplas passagens, responsáveis pela descarga do pó
mantido pelo anel até à saída [89].
Hu desenvolveu uma patente de um nozzle coaxial representado na Figura 5.1e. O pó viaja por uma
passagem coaxial com o feixe de laser. Também uma passagem circunscrita para gás inerte ou similar
é coincidentemente coaxial tanto com o feixe de laser quanto com o fluxo de pó. Um líquido de
refrigeração circula no interior do corpo principal com o objetivo de arrefecer a estrutura completa. O
nozzle permite ajustar a distância do feixe de laser à peça e o fluxo de pó de acordo com as condições
operacionais. Uma cobertura de proteção porosa impede a contaminação do canal de fluxo de gás
inerte. Segundo Hu, o nozzle é facilmente construído a partir de materiais comuns e desmontável para
limpeza [90].
a) Peng et al. [86] b) Buongiorno [87] c) Nowotny e Scharek [88]
d) Sato e Ishikawa [89] e) Hu [90] f) Guo [91]
Figura 5.1: Representações de patentes de nozzles coaxiais.
58
Guo, para a Honeywell International Inc., apresentou uma patente de uma invenção de um nozzle
coaxial compacto com uma forma geométrica cónica, terminando numa ponta relativamente pequena
(Figura 5.1f). O nozzle inclui uma abertura central para o feixe de laser, uma câmara de mistura de pó
com uma descarga coaxial e canais de gás inerte, ambos coaxiais com o feixe de laser, e canais de
refrigeração [91].
Freneaux et al., para a Électricité de Strasbourg S.A. e o Institut Regional de Promotion de la Recherche
Appliquee, apresentaram uma patente de um nozzle essencialmente constituído por um corpo principal
com uma passagem cónica e por um cone de injeção coaxial (Figura 5.2). O espaço entre ambos, guia
o fluxo de pó com um gás de suspensão convergindo na direção da saída do nozzle coaxialmente com
o feixe de laser. Adicionalmente, um segundo cone de injeção coaxial de gás de confinamento ajuda
no foco do fluxo de pó e limita a sua dispersão. A estrutura principal também possui canais de
refrigeração [92].
A patente de Freneaux et al. também dispõe de um conjunto de parâmetros geométricos ideais das
estruturas cónicas: 𝛼, 𝐷 e 𝑙, onde 𝛼 corresponde ao semiângulo do cone de injeção, 𝐷 ao diâmetro
médio do anel de injeção e 𝑙 à largura do referido anel. Segundo o documento, o parâmetro 𝛼 pode ser
compreendido entre os valores de 15 a 20º, o parâmetro 𝐷 entre 4 a 10 mm e o parâmetro 𝑙 entre 0.5
e 2 mm. No entanto, Freneaux et al. definiram valores preferenciais a adotar: 17º, 7 mm e 0.8 mm,
respetivamente. O gás de suspensão do pó é preferencialmente inerte, tal como hélio ou árgon, cujo
fluxo volumétrico é compreendido entre 1.5×10-5 e 35×10-5 m3/s, sendo função do material a injetar [92].
Figura 5.2: Representação do nozzle coaxial contínuo de Freneaux et al. [92].
A generalidade das patentes assinaladas é constituída por componentes cónicos. Essencialmente,
estes nozzles são constituídos por dois componentes cónicos coaxiais com o feixe de laser, cujo espaço
entre si permite guiar o fluxo de pó com um gás de suspensão inerte até à zona de processamento.
Daqui retira-se que estes componentes cónicos são as peças críticas fundamentais ao bom
desempenho do nozzle coaxial contínuo. Estas duas peças são projetadas na secção seguinte.
59
5.2. Projeto dos cones do nozzle coaxial contínuo
A escolha do design deveu-se essencialmente à simplicidade, facilidade e custo de fabrico por
maquinação, assim como à informação disponível exposta na secção anterior. O projeto deste novo
componente para uma impressora 3D de metais adiciona um novo problema na determinação das
especificações geométricas a adotar no nozzle. Das patentes apresentadas anteriormente, a de
Freneaux et al. é a única que define um conjunto de parâmetros geométricos que caracterizam os cones
do nozzle coaxial contínuo. Portanto, são estes os parâmetros a usar na caracterização do nozzle
projetado. Assim, os parâmetros de Freneaux et al. são uma especificação de projeto.
Como meio de simplificação, é assumido que o fluxo de pó à saída do nozzle tem uma inclinação, em
relação ao eixo do cone, igual a 𝛼.
A Figura 5.3a representa a primeira iteração da geometria do fluxo de pó (a sombreado) à saída dos
dois cones do nozzle com as especificações preferenciais (𝛼 = 17º, 𝐷 = 7 mm e 𝑙 = 0.8 mm). Porém,
resultando de uma solução meramente geométrica, a zona útil apresenta uma altura de apenas
12.76 - 10.14 = 2.62 mm. Note-se que o diâmetro do feixe de laser tem de ser pelo menos inferior ao
diâmetro do fluxo de pó na área de processamento. Por outro lado, o diâmetro mínimo do fluxo é de
0.8 mm. No entanto, o autor considera que deve de haver uma margem de segurança e, portanto, o
diâmetro mínimo deve ser superior. Assim, assumiu-se que o diâmetro mínimo do fluxo deve ser o
dobro do diâmetro mínimo adequado do feixe, isto é, 1.6 mm. Isto implica que o valor máximo seja 3.2
mm. Consequentemente, 𝑙 = 1.6 mm (Figura 5.3b), onde ℎ𝑚á𝑥 e ℎ𝑚𝑖𝑛 correspondem à altura máxima e
mínima, respetivamente, da trajetória de fluxo do pó à saída dos dois cones.
a) b)
Figura 5.3: Esquemas representativos do fluxo de pó à saída dos dois cones com (a) as especificações preferenciais e (b) com 𝑙 = 1.6 mm.
Como se pretende aumentar a altura do cone da zona útil, ∆ℎ, independentemente de 𝐷, a diferença
entre ℎ𝑚á𝑥 e ℎ𝑚𝑖𝑛 aumenta com a diminuição de 𝛼. Portanto, é assumido o valor mínimo de 15º definido
por Freneaux et al. para o parâmetro 𝛼. Assim, ∆ℎ = ℎ𝑚á𝑥 − ℎ𝑚𝑖𝑛 = 2[(1.6 − 0.8)/𝑡𝑎𝑛 (15°)] = 5.98 𝑚𝑚.
Fraunhofer ILT dispõe de outras duas gamas de nozzles coaxiais contínuos, COAX-40 e COAX-50, que
permitem depositar pó a uma distância entre 7 e 11 mm, em relação à saída do pó pelos cones sem
variação do diâmetro do feixe de laser [93]. Isto é, ℎ𝑚𝑖𝑛 = 7 mm e ℎ𝑚á𝑥 = 11 mm. Perante estes dados,
0.8
7
17º
10.1
4
12.7
6
0.8
1.6 1.6
3.2
1.6
𝐷
ℎ𝑚
𝑖𝑛
ℎ𝑚
á𝑥
𝛼
60
o autor considera interessante e relevante estudar, no futuro, a influência que este intervalo de valores
possa ter na deposição de um cordão. Logo, para isto ser possível, o valor de ℎ𝑚𝑖𝑛 tem de ser inferior
a 7 mm e o valor de ℎ𝑚á𝑥 tem de ser superior a 11 mm. Assim, definiu-se o valor final de 𝐷 = 5.2 mm
e, consequentemente, ℎ𝑚𝑖𝑛 = 6.72 mm e ℎ𝑚á𝑥 = 12.7 mm. O perfil final do fluxo de pó encontra-se
representado na Figura 5.4.
Figura 5.4: Esquema representativo do fluxo de pó à saída dos dois cones com os parâmetros geométricos finais.
Cálculos efetuados para partículas de Stellite 6 e uma densidade de potência de 2.4×104 W/cm2
mostram que as partículas fundem e vaporizam depois de viajarem 7 e 11 mm, respetivamente, no
feixe de laser [94]. Como a altura da zona útil é de 5.98 mm e independentemente da posição do feixe
no interior desta zona, o pó depositado apenas é aquecido (sem fusão/vaporização) até contactar com
o banho de fusão.
Porém, devido à geometria final (espessura) do cone interior, o nozzle apenas permite processar peças
com um diâmetro do feixe de laser máximo de 2.3 mm (Anexo A: Cone interior). Por fim, os dois cones
foram maquinados com latão CuZn40Pb2 e encontram-se na Figura 5.5.
Figura 5.5: Cones do nozzle coaxial contínuo.
1.6
3.2
1.6
12.7
6.7
2
5.2
15º
61
5.3. Projeto do nozzle coaxial contínuo
O nozzle coaxial contínuo desenvolvido é também constituído, além do (1) cone coaxial exterior e do
(2) cone coaxial interior (secção anterior), por uma (3) estrutura principal, (4) um bloqueador, (5) um
tubo roscado interior, (6) um tubo roscado rotativo, (7) uma tampa e (8) dois conectores CMa6522 6-M5.
5.3.1. Estrutura principal
A estrutura principal, representada na Figura 5.6a, é o componente responsável pela ligação dos tubos
de alimentação e por garantir a concentricidade entre os dois cones projetados na secção anterior. Os
dois tubos de alimentação são unidos por dois conectores CMa6522 6-M5 da Camozzi. Estes são
caracterizados por possuírem um cotovelo a 90º e por conectarem tubos de alimentação com 6 mm de
diâmetro exterior. No entanto, este ângulo acrescenta perdas no fluxo de pó, tal como no detalhe A da
Figura 5.6. Com esta configuração, cada conector está ligado a um tubo de alimentação. Por sua vez,
os tubos são ligados a cada contentor do alimentador de pós PLASMA TECHNIK AG TWIN 10
COMPACT. A estrutura principal é caracterizada por este ângulo pela simplicidade e custo inferior na
sua maquinação. À estrutura principal também são conectados os componentes responsáveis pela
variação de altura do nozzle, mantendo a posição relativa do feixe à peça (secção seguinte).
a Estrutura principal
b Cone coaxial interior
c Cone coaxial exterior
d Tampa
e Conector CMa6522 6-M5
Figura 5.6: Representação da secção transversal da estrutura principal, cones coaxiais, tampa e conectores CMa6522 6-M5.
5.3.2. Bloqueador, tubo roscado interior e tubo roscado rotativo
A definição do curso vertical depende da distância focal traseira do sistema, da altura da zona útil e da
posição do ponto de processamento no interior da referida zona. Os dois primeiros parâmetros estão
definidos nas Secções 4.1.2 e 5.2, respetivamente. Relativamente ao último, este é limitado por um
novo requisito. Estabeleceu-se que a posição do ponto de processamento tem de se encontrar num
intervalo de ±5 mm em relação ao ponto focal [81].
Tipicamente não há interesse industrial em processar peças na zona divergente ou perto do ponto focal
do feixe de laser, devido aos seus perigos associados. No ponto focal, a densidade energética é
máxima podendo formar plasma pela interação com as partículas, devido ao campo eletromagnético
a
b
d
c
e
A
62
do laser. No extremo, esta formação de plasma pode interromper o processo [29]. Porém, por se tratar
de um sistema laboratorial é exigido que também se processe nesta zona.
Consequentemente, o ponto pode-se distanciar entre 157.5 e 167.5 mm, relativamente ao ponto da
superfície traseira da lente focal (Secção 3.2.2). Ao intervalo anterior é acrescida a contribuição da
altura do cone da zona útil de 5.98 mm, perfazendo um curso mínimo obrigatório de 151.52 a 167.5 mm
relativamente ao ponto da superfície traseira da lente focal.
Lentes com uma distância focal de 150 mm são das mais comuns no mercado. Pela proximidade que
o curso mínimo tem a este valor, o autor considera este valor importante a incluir no curso final do
nozzle. Tendo isto em conta e contabilizando possíveis erros no fabrico dos componentes e na
determinação do ponto focal (Secção 4.1.2), o nozzle permite depositar pó a uma distância entre 136.72
e 178.7 mm, relativamente ao ponto da superfície traseira da lente focal. Isto é, o nozzle apresenta um
curso vertical de 37.5 mm.
a Tubo roscado interior
b Tubo roscado rotativo
c Bloqueador
Figura 5.7: Representação da secção transversal dos tubos interior e rotativo e bloqueador.
A regulação da altura do nozzle dá-se pela ação de um par de tubos roscados: tubo roscado interior
(Figura 5.7a) e tubo roscado rotativo (Figura 5.7b). Deste modo, os tubos de alimentação enrolar-se-
iam aos componentes do nozzle. Como solução, projetou-se um bloqueador (Figura 5.7c) que permite
um movimento rotacional livre da estrutura principal, independente do movimento rotacional do tubo
roscado rotativo. As zonas cónicas destes dois componentes garantem a coaxialidade do nozzle após
a variação da altura. Para aplicações com lentes focais com uma distância focal que não se encontra
no intervalo projetado, apenas é necessário redimensionar o tubo roscado interior e o tubo roscado
rotativo. Por fim, o nozzle coaxial contínuo é conectado ao sistema de deposição de pó assistida por
laser do CeFEMA pela ligação do tubo roscado interior.
Todos os restantes componentes foram maquinados com alumínio 6082. A Figura 5.8 mostra o produto
final do desenvolvimento do nozzle coaxial contínuo.
a
b
c
63
Figura 5.8: Nozzle coaxial contínuo desenvolvido e maquinado.
64
6. Impressoras 3D de LENS com múltiplas cabeças de
impressão independentes para metal
Aplicando o conhecimento adquirido e exposto anteriormente ao longo deste documento, o autor
apresenta dois conceitos de arquitetura de impressoras 3D de LENS com múltiplas cabeças de
impressão independentes para fabrico de peças em metal.
6.1. Requisitos e especificações iniciais
A definição dos requisitos e especificações de qualquer equipamento depende da sua aplicação. No
caso de uma impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças, prende-se principalmente à quantidade
e dimensões de cada módulo, velocidade, potência média do laser, taxa de deposição e precisão. Não
havendo uma aplicação particular para o desenvolvimento de um conceito de impressora 3D de LENS
com múltiplas cabeças, os requisitos apresentados são definidos considerando as impressoras 3D de
LENS com uma cabeça existentes no mercado atual.
Analisando o mercado, existem três gamas de impressoras com envelopes de trabalho para aplicações
de peças pequenas, médias e grandes. Estes envelopes podem assumir formas cúbicas,
paralelepipédicas ou cilíndricas. Aproximadamente, registam-se envelopes de trabalho com dimensões
de 100 × 100 × 100 mm, 400 × 400 × 400 mm e 1000 × 1000 × 1000 mm para peças de pequenas,
médias e grandes dimensões, respetivamente.
Um módulo com uma gama de envelope de 100 × 100 × 100 mm é demasiado pequeno, pois
provocaria múltiplas colisões entre cabeças de impressão vizinhas ao longo do processo e,
consequentemente, obrigaria a múltiplas paragens de uma das cabeças (Secção 3.5). Relativamente
à gama de 1000 × 1000 × 1000 mm, comercialmente não há interesse numa impressora 3D com
múltiplas cabeças e mesas de impressão com envelopes de trabalho individuais com estas dimensões.
Efetivamente, o que se pretende é obter envelopes de trabalho finais perto desta gama de trabalho.
Assim, basta acrescentar múltiplos módulos médios consoante o tamanho da peça grande. Deste
modo, resume-se que a gama de envelope de peças médias é a mais adequada para impressoras 3D
de LENS com múltiplas cabeças de impressão. No entanto, é necessário ter em especial consideração
as dimensões da cabeça de impressão (Secção 3.5).
Deste modo, os requisitos e especificações apresentados são baseados na impressora 3D LENS MR-7
da Optomec com uma cabeça de impressão. Esta impressora possui um envelope de trabalho de
300 × 300 × 300 mm. Este valor é inferior, mas é considerado como sendo um envelope de trabalho de
peças médias [95].
Adicionalmente, como apontado na Secção 3.7.1, é fundamental a partilha do envelope de trabalho
pelas cabeças de impressão vizinhas. Não foram encontradas referências para este valor para metais.
Portanto, é definido o valor de 50 mm. Assim, é adicionado o valor de 50 mm ao envelope de trabalho
particular de cada cabeça de impressão na direção da cabeça vizinha.
65
Relativamente à cabeça de impressão, pelo trabalho desenvolvido no sistema de deposição de pó
assistida por laser do CeFEMA, os conceitos apresentados nas secções seguintes são constituídos por
esta cabeça. Devido à regulação da altura do nozzle da cabeça de impressão, esta apresenta as
dimensões máximas e mínimas de 72 × 102 × 344 mm e 72 × 102 × 306.5 mm, respetivamente,
excluindo a fibra ótica e os tubos de alimentação de pó. Isto é, a cabeça possui um curso segundo Z
de 37.5 mm. Note-se que esta cabeça apresenta dimensões menores que as da empresa KUKA, sendo
um aspeto importante no desenvolvimento deste tipo de impressora 3D (Secção 3.5). A Tabela 6.1
resume as especificações anteriormente indicadas.
Tabela 6.1: Especificações definidas para uma impressora 3D com múltiplas cabeças para metais. Adaptado
de [95].
Tipo de sistema LENS
Cabeça de impressão Sistema de deposição assistida por laser do CeFEMA
Dimensões do envelope de trabalho
particular, mm 300 × 300 × 300
Partilha do envelope de trabalho, mm 50
Velocidade (X e Y), mm/s 60
Potência média, W 500
Taxa de deposição (máx.), g/min 300
Precisão posicional, mm ±0.015
6.2. Conceitos de arquitetura
Com as justificações apresentadas na Secção 3.5, o autor apresenta dois conceitos de arquitetura de
impressoras 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes. Cada um dos conceitos
é baseado nas duas configurações E e F da Figura 3.15.
6.2.1. Conceito de arquitetura com a configuração E
Os conceitos de Wachsmuth e Boto (Secção 2.4) também se apoiam na configuração E de Groover
(Secção 3.5). O conceito que o autor expõe (Figura 6.1) é baseado no conceito de Boto. Este é dotado
de uma liberdade em remover e permutar cabeças de impressão para zonas da peça que requerem
maior tempo de fabrico. Porém, esta funcionalidade apresenta folgas devido ao movimento segundo X
ser caracterizado pela combinação de rodas dentadas e cremalheiras. Apesar desta funcionalidade
aumentar a rapidez de fabrico, o autor ignorou-a pela razão de a precisão ser um requisito de projeto.
Para mostrar o conceito, este é caracterizado por um valor mínimo de quatro cabeças e mesas de
impressão: duas em cada direção X e Y. Para respeitar as especificações definidas, as mesas de
impressão têm uma área de trabalho de 300 × 300 mm. Considerando a partilha do envelope de
trabalho, cada cabeça apresenta um mínimo de envelope de trabalho de 350 × 350 × 300 mm.
Considerando as dimensões da cabeça, o fuso na direção X tem curso mínimo de 672 mm. Cada
cabeça de impressão é capaz de se deslocar num total de 528 mm ao longo do eixo X. O fuso na
66
direção Y, como é particular a cada cabeça, tem um curso mínimo de 402 mm. Contrariamente à
configuração E da Figura 3.15, a mesa de impressão é responsável pelo movimento segundo Z. O
alívio de peso na parte superior da estrutura e na cabeça facilita o seu movimento e aumenta a precisão
da impressora 3D. Devido ao curso do nozzle coaxial, o curso mínimo do fuso na direção Z é de 337.5
mm. Naturalmente, aos cursos mínimos são acrescentados a contribuição dos restantes componentes
constituintes do conceito, nomeadamente das travessas e dos restantes componentes de suporte. Em
suma, este conceito possibilita o processamento de peças metálicas com dimensões máximas de
600 × 600 × 337.5 mm.
Figura 6.1: Conceito do autor baseado no conceito de Boto.
A grande diferença entre este conceito e o conceito de Boto é a substituição das cremalheiras por fusos
roscados. No entanto, o conceito do autor também recorre a rodas dentadas, mas coaxiais com os
fusos roscados, tais como ilustrados na Figura 3.13b. Por conseguinte, as folgas entre os pares de
rosca são inferiores às existentes do conceito de Boto.
6.2.2. Conceito de arquitetura com a configuração F
Os conceitos de Zhang e Khoshnevis e a impressora The Cronus (Secção 2.4) também se apoiam na
configuração F de Groover (Secção 3.5). O conceito de arquitetura do autor (Figura 6.2) é baseado na
impressora The Cronus. O facto de a impressora ser constituída por pórticos independentes facilita a
(des)montagem de cada um, consoante cada aplicação. Cada movimento segundo X, Y e Z é efetuado
com o auxílio de fusos roscados, igualmente como os da Figura 3.13b. Os fusos segundo X são
y
x z
67
partilhados pelos diversos pórticos, mas os fusos responsáveis pelos movimentos em Y e Z são
particulares a cada um.
Para mostrar o funcionamento do conceito, este apresenta o valor mínimo de duas cabeças de
impressão na direção X. Contrariamente ao conceito da Figura 6.1, o conceito da Figura 6.2 é composto
por uma mesa de impressão imóvel. Isto permite que este conceito seja capaz de fabricar peças
distintas com uma secção máxima no plano XY de 300 × 300 mm sem que ocorre perigo de colisão.
Para isto, basta que as dimensões mínimas da mesa de impressão sejam 672 × 300 mm. Os cursos
mínimos dos três fusos são 744, 402 e 337.5 mm para os fusos X, Y e Z, respetivamente. Cada cabeça
é capaz de se deslocar num total de 672 mm ao longo do eixo X. Naturalmente, aos cursos mínimos
são acrescentados a contribuição dos restantes componentes constituintes do conceito,
nomeadamente dos pórticos e das travessas de suporte. Por fim, o conceito da Figura 6.2 possibilita o
processamento de peças metálicas com dimensões máximas de 672 × 300 × 337.5 mm.
Figura 6.2: Conceito do autor baseado na impressora The Cronus da Titan Robotics.
Como ilustrado na Figura 4.10 sobre os efeitos da nuvem de pó, efetuou-se uma alteração no conceito
original da impressora The Cronus que se prende com a posição do fuso segundo X. No conceito do
autor, este fuso encontra-se abrigado da nuvem de pó pela mesa de impressão. Esta alteração ajuda
a mitigar a contaminação dos fusos segundo X.
6.2.3. Considerações finais entre conceitos
O conceito da Figura 6.1 permite uma disposição teoricamente infinita no plano XY. Na realidade, a
presença de colunas interiores pode causar interferências com o processo em aplicações de grandes
y
x z
68
dimensões. Para aplicações de peças com dimensões elevadas é possível remover as colunas da
estrutura entre a mesa de impressão e os módulos e apoiar os últimos no teto da fábrica, por exemplo.
No entanto, o acesso à(s) peça(s) pode ser dificultado pelas dimensões elevadas no plano XY.
Relativamente ao conceito da Figura 6.2, a impressora apenas é teoricamente infinita na direção X. Por
um lado, a acessibilidade à(s) peça(s) é facilitada. Por outro, a(s) peça(s) são limitadas de acordo com
as dimensões de cada pórtico. Por outras palavras, são limitadas pelas dimensões Y e Z.
Em suma, a escolha entre os dois conceitos apresentados pelo autor depende da aplicação em causa.
Para aplicações cujas peças apresentam duas das suas dimensões semelhantes e superiores à
terceira, o autor recomenda o desenvolvimento de uma impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças
de impressão independentes baseado no conceito da Figura 6.1. Por outro lado, para aplicações cujas
peças apresentam uma dimensão bastante superior às restantes, o autor recomenda o
desenvolvimento de uma impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes
baseado no conceito da Figura 6.2.
69
7. Conclusão
Este documento resulta do levantamento, exposição e justificação das necessidades para o
desenvolvimento de uma impressora 3D com múltiplas cabeças de impressão independentes para o
fabrico de peças de grandes dimensões em metal. Para tal, são apresentados os sistemas,
equipamentos e parâmetros-chave fundamentais.
Das tecnologias que caracterizam a AM, conclui-se que a tecnologia de DED é a mais adequada para
o desenvolvimento referido e, em particular, o processo de LENS. Este consiste na fusão de pó metálico
com o auxílio de um feixe de laser numa câmara fechada com recirculação de gás inerte, tipicamente
árgon.
Assim, uma impressora 3D de LENS com múltiplas cabeças de impressão independentes é
caracterizada por seis sistemas: (1) sistema de laser, (2) sistema ótico, (3) sistema de alimentação,
(4) guias motorizadas, (5) câmara fechada e (6) sistema de monitorização e CNC.
Relativamente ao sistema de laser, as fontes de potências mais apropriadas são de díodo ou de fibra,
consoante se pretenda maximizar a eficiência energética ou a qualidade do feixe, respetivamente, de
distribuição espacial de multimodo, quadrado ou top hat e um comprimento de onda que maximiza a
taxa de absorção do material a processar. Destas fontes, as mais adequadas são as fontes de potência
quasi-contínuas. O diâmetro da fibra ótica deve ser escolhido em função do diâmetro do feixe de laser
e o comutador com canais de saída de acordo com o número de cabeças de impressão constituintes.
Por cada saída do comutador, deve-se instalar um shutter entre a respetiva cabeça e canal de saída.
No sistema ótico, este é constituído essencialmente por uma lente colimadora e uma lente focal
convergente plano-convexa ou côncavo-convexa com uma profundidade de campo tanto elevada
quanto possível.
Para o sistema de alimentação, os alimentadores de pós por gravidade e um nozzle coaxial são os
mais indicados. A escolha entre um nozzle contínuo ou descontínuo remete-se à aplicação em causa.
Comparando estas opções, o nozzle coaxial contínuo permite depositar cordões com largura inferior e
eficiência superior, mas com potências médias do laser inferiores. Também se encontra limitado a um
ângulo máximo de 20º de inclinação de deposição, em relação à vertical, ao contrário do nozzle coaxial
descontínuo, onde este limite não existe.
Havendo um maior interesse industrial, foi selecionado o sistema de coordenadas cartesiano em
detrimento do sistema de coordenadas polares. No entanto, a escolha entre os dois sistemas é
dependente da aplicação em causa. Consequentemente, as guias motorizadas lineares são as que
mais se adequam a um sistema de coordenadas cartesianas. Pela influência da nuvem de pó que se
forma aquando do processamento, os componentes das guias motorizadas lineares responsáveis pelo
movimento devem-se encontrar isolados.
Adicionalmente, pela presença de uma nuvem de pó constituída por partículas com dimensões
aproximadas de 100 μm, o processo deve decorrer no interior de uma câmara fechada como modo de
70
proteção, segurança e retenção das mesmas. Aliás, esta câmara tem de proporcionar um ambiente no
seu interior com uma concentração de oxigénio inferior a 10 ppm.
Por fim, o sucesso do processo é fortemente afetado pelo rigor, robustez e precisão do sistema de
monitorização e CNC em anel fechado. Este sistema refere-se à monitorização do feixe de laser, da
área de trabalho e da peça, particularmente na definição da trajetória e controlo da temperatura. A
monitorização da temperatura é importante no controlo da dureza, das dimensões e da diluição do
cordão. Tal implica a variação de determinados parâmetros, nomeadamente, a potência média do feixe,
o diâmetro do feixe e/ou a velocidade. Adicionalmente, o sistema CNC deve controlar os restantes
parâmetros variáveis: aceleração, taxa de deposição de pó, nível de oxigénio, incremento em Z, largura
do pulso e frequência (estes dois últimos no caso de um laser pulsado). Aparelhos com pirómetros ou
câmaras de obtenção de imagem térmica infravermelha podem ser utilizados. As câmaras são mais
apropriadas pelo rigor e precisão que oferecem, apesar da flexibilidade estrutural inferior
comparativamente aos pirómetros. Por outro lado, um bom planeamento da trajetória para múltiplas
cabeças de impressão independentes é essencial para a maximização da rapidez de fabrico da peça
de grandes dimensões. Este planeamento passa pela determinação da orientação, determinação dos
apoios, slicing, posicionamento da peça, particionamento e geração da trajetória para as múltiplas
cabeças. Aliás, este planeamento deve precaver-se contra possíveis colisões entre cabeças de
impressão vizinhas.
Efetuou-se uma análise crítica ao sistema de deposição de pó assistido por laser do CeFEMA. Efetuada
esta análise, constatou-se que o sistema carece de um nozzle coaxial, de um sistema de monitorização
e CNC e de um isolamento das peças roscadas da cabeça de impressão contra a nuvem de pó. Deste
modo, desenvolveu-se um nozzle coaxial contínuo de altura regulável. Um nozzle coaxial é o mais
adequado para um sistema com uma estrutura composta por três guias motorizadas lineares. Este
nozzle é baseado no trabalho de Freneaux et al. e dos nozzles coaxiais de Fraunhofer ILT. O nozzle é
caracterizado por um cone de deposição útil de altura mínima e máxima de 6.72 e 12.7 mm,
respetivamente, e permite processar com um diâmetro máximo de feixe de laser de 2.3 mm. Por fim,
pela regulação da altura do nozzle, é possível depositar material a uma distância entre 136.72 e
178.7 mm, relativamente ao ponto da superfície traseira da lente focal.
Por fim, são apresentadas as especificações primárias no desenvolvimento de uma impressora 3D de
LENS de múltiplas cabeças independentes para o fabrico de peças de grandes dimensões em metal,
assim como dois conceitos de arquitetura.
7.1. Trabalhos futuros
Após o desenvolvimento e maquinação do nozzle coaxial contínuo, este necessita de ser submetido a
uma análise experimental e discussão de resultados sobre a qualidade de deposição. Há também
interesse em estudar a influência da altura do cone de deposição da zona útil, relativamente à saída do
pó dos cones coaxiais. É importante continuar na otimização dos parâmetros característicos dos cones
coaxiais. A opção mais adequada é a realização de um estudo de simulação numérica de deposição
de pó. Efetuada a simulação, testam-se os melhores resultados obtidos através da maquinação dos
71
cones coaxiais e de uma análise experimental. Também com esta análise de simulação numérica,
torna-se interessante analisar a influência dos parâmetros combinados, principalmente os parâmetros
de densidade de energia e densidade de deposição de pó, e depois validados experimentalmente.
O fabrico por LENS através do sistema de deposição de pó assistida por laser do CeFEMA só é possível
através da implementação de um sistema de monitorização e controlo de temperatura do banho de
fusão. É essencial a implementação de um sistema CNC de controlo em anel fechado de todos os
parâmetros-chave controláveis.
Por fim, os trabalhos efetuados nos dois últimos parágrafos podem ajudar no desenvolvimento e no
projeto uma impressora 3D de LENS de múltiplas cabeças independentes para o fabrico de peças de
grandes dimensões em metal. A informação exposta neste documento pode contribuir para a sua
concretização. Posteriormente, o fabrico de um protótipo permite validar o cumprimento das
especificações definidas no projeto, assim como otimizar o sistema. Porém, o sistema de CNC
necessário é mais complexo que o do sistema de deposição de pó assistida por laser do CeFEMA. Este
novo sistema CNC deve ser capaz de efetuar a determinação da orientação, determinação dos apoios,
slicing, posicionamento da peça, particionamento e geração da trajetória para cada cabeças de
impressão independente. Adicionalmente, deve monitorizar e controlar a temperatura do banho de
fusão, assim como evitar colisões entre cabeças vizinhas.
Adicionalmente, seria importante estudar a influência e determinar o valor da zona partilhada da peça
pelas cabeças de impressão vizinhas, ao nível do comportamento mecânico dos materiais. Uma análise
experimental permitirá definir os valores apropriados dependentes da geometria e material da peça a
fabricar.
72
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79
Anexo A: Desenhos técnicos do nozzle coaxial contínuo
3
4
6
5
2
87
1
Nº Designação Qde Material Peso1 Estrutura 1 6082 Alloy 155.602 Tampa 1 6082 Alloy 8.703 Tubo roscado interior 1 6082 Alloy 64.984 6522_6_M5 25 Tubo roscado rotativo 1 6082 Alloy 20.416 Bloquedor 1 6082 Alloy 32.507 Cone interior 1 Brass 105.438 Cone exterior 1 Brass 153.75
Nozzle coaxial contínuo
Curso: MEMec
29/09/2017 Desenho e Modelação Geométrica
Notas:
Peso:
Fabricou
Projectou
Verificou
Desenhou
DataRúbrica
Acabamentos:
Material:
Revisto:
A4Folha Folha
1
Nome: João Silva n.º 754681:1Escala
Desenho n.º
Tolerância Geral:
NZ1
1
2
1:1
Nº Designação Qde Material Peso1 Estrutura 1 6082 Alloy 155.602 Pino 2 6082 Alloy 0.05
NZ2
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
2:1Nome: João Silva n.º 75468
1FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
Desenho e Modelação Geométrica29/09/201729/09/2017
Curso: MEMec
Estrutura principal
44 H8
+ 0,0390
M54x1
5 48 H8
+ 0,0390
27,
5 ±0
,016
3 ±
0,01
1
M5
4
4
72
1
3 H7
+ 0,01
0
3
6
M50x1
5
0.05 A
A
1:1
52
ISO 2768-fH
Nota: roscas com Dint. = Dext. - px1.3
3.2NZ2 155.60
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
2:1Nome: João Silva n.º 75468
2FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
6082 Alloy
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
Desenho e Modelação Geométrica29/09/201729/09/2017
Curso: MEMec
Estrutura
3
3 n6 ++
0,0100,004
0,5
ISO 2768-mH3.2
NZ2 0.05
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
10:1Nome: João SIlva n.º 75468
3FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
6082 Alloy
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
Desenho e Modelação Geométrica29/09/201729/09/2017
Curso: MEMec
Pino
48
9
56
2
M54x1
5
1:1ISO 2768-mH
Nota: roscas com Dint. = Dext. - px1.3
3.2NZ3 8.70
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
2:1Nome: João Silva n.º 75468
1FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
6082 Alloy
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
Desenho e Modelação Geométrica29/09/201729/09/2017
Curso: MEMec
Tampa
17
150°
M50x1
38 G8
++
0,0480,009
44 G8
++
0,0480,009
9
5
2,8
10
Recartilhado 0.1 A
A
1:1ISO 2768-mH
Nota: roscas com Dint. = Dext. - px1.3
3.2NZ4 32.50
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
2:1Nome: João Silva n.º 75468
1FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
6082 Alloy
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
Desenho e Modelação Geométrica29/09/201729/09/2017
Curso: MEMec
Bloqueador
M36x1
8
38 h8 -00,039
1
45,
7
150
°
44 h8 -00,039
36 G8
++
0,0480,009
5,2
0.05 A
0.1 A
A 1:1
ISO 2768-fH
Nota: roscas com Dint. = Dext. - px1.3
3.2NZ5 20.41
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
2:1Nome: João Silva n.º 75468
1FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
6082 Alloy
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
Desenho e Modelação Geométrica29/09/201729/09/2017
Curso: MEMec
Tubo roscado rotativo
34
28
64,
5 ±0
,023
M36x1
47,
5 ±0
,02
47,
50
16
M30x1
12
Recartilhado
0.1 A
A
1:1ISO 2768-fH
Nota: roscas com Dint. = Dext. - px1.3
3.2Tubo roscado
interior
Curso: MEMec
14/11/2017 Desenho e Modelação Geométrica
Notas:
Peso:
Fabricou
Projectou
Verificou
Desenhou
DataRúbrica
6082 Alloy
Acabamentos:
Material:
Revisto:
A4Folha Folha
1
Nome: João Silva n.º 754682:1Escala
Desenho n.º
Tolerância Geral:
64.98NZ6
10
±0,0
13
35,
5 ±0
,02
50°
52 g8 --0,0100,056
6,8 ±0,011
44 h7 -00,025
30°
8,8
23,
2
15°
35,5
A
0.05 A
0.05 A
A
1:1
0,5
DETALHE AESCALA 10 : 1
ISO 2768-fH Boleado R5
CuZn40Pb2
3.2NZ7 153.75
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
2:1Nome: João Silva nº: 75468
1FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
Brass
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
Desenho e Modelação Geométrica29/09/201729/09/2017
Curso: MEMec
Cone exterior
48 h8 -00,039
16
4 ±
0,00
9
10° 15°
48
±0,0
2
3,6 ±0,009
9,5
40,
3
2,3
6,6
25,2
0.05 A
0.1 A
A
1:1
ISO 2768-fH Boleado R5
CuZn40Pb2
3.2NZ8 105.43
Tolerância Geral:
Desenho n.º
Escala
2:1Nome: João Silva n.º 75468
1FolhaFolha
A4Revisto:
Material:
Acabamentos:
Brass
Rúbrica Data
Desenhou
Verificou
Projectou
Fabricou
Peso:
Notas:
Desenho e Modelação Geométrica29/09/201729/09/2017
Curso: MEMec
Cone interior
