Pulsos elétricos moldam com precisão peças de metal impressas em 3D

O professor Dirk Bähre e sua equipe de pesquisa na Universidade de Saarland desenvolveram um método sem contato para transformar peças de metal fabricadas por uma impressora 3D em componentes técnicos de alta precisão para aplicações especializadas. O novo método permite processar peças feitas de metais leves e fortes para produzir componentes com acabamento de precisão com geometrias complexas e tolerâncias dimensionais de alguns milésimos de milímetro. A equipe de tecnólogos da fabricação combina impressão 3D em metal e usinagem eletroquímica (ECM).

Sistemas técnicos complexos, como os motores que alimentam carros, aviões ou foguetes, são fabricados a partir de um grande número de componentes metálicos altamente especializados. Para garantir que todas essas peças se encaixem perfeitamente e sejam capazes de suportar tensões mecânicas extremas, cada uma delas deve ser fabricada com muita precisão. "As tolerâncias podem estar abaixo da faixa de micrômetros", explica o professor Dirk Bähre, da Universidade de Saarland. Embora a impressão 3D em metal seja agora um meio estabelecido de fabricar componentes com geometrias complexas, esses processos aditivos, que constroem a peça camada por camada, não são suficientemente precisos para componentes que precisam atender a requisitos dimensionais extremamente rígidos. E, em alguns casos, a geometria da peça pode ser muito complexa para ser produzida pela impressão 3D em metal convencional.

Dirk Bähre e sua equipe de pesquisa estabeleceram o objetivo de refinar as peças da impressora 3D para que suas dimensões estejam corretas até alguns milésimos de milímetro. "Nossa tecnologia para pós-processamento de peças de metal fabricadas de maneira aditiva oferece um meio econômico de produzir superfícies funcionais de alta precisão para aplicações em que tolerâncias extremamente apertadas são cruciais. Ele permite que um grande número de peças seja pós-processado de maneira eficiente e econômica'', diz Bähre. Ele e sua equipe de pesquisadores da Universidade de Saarland são especialistas no campo de usinagem e acabamento de precisão. Eles desenvolveram novas técnicas nas quais combinam impressão 3D de metal com usinagem eletroquímica.

Ao remover o material eletroquimicamente, até as geometrias mais complexas podem ser criadas nos metais mais duros. "Nossa tecnologia de fabricação não destrutiva e sem contato nos permite usinar com eficiência peças com geometrias complexas, mesmo quando fabricadas com materiais de alta resistência", explica Bähre. As peças de trabalho, banhadas em uma solução eletrolítica fluida, podem ser usinadas eletroquimicamente na geometria necessária, trabalhando com tolerâncias de alguns milésimos de milímetro - sem nenhum contato mecânico e sem transmitir tensões mecânicas à peça de trabalho. Tudo o que os engenheiros precisam é de uma fonte de energia elétrica. Uma corrente elétrica alta flui entre uma ferramenta (o cátodo) e a peça condutora (o ânodo), que foi produzida em um processo de impressão 3D. A peça de trabalho é imersa em um fluido condutor (o eletrólito), que é simplesmente uma solução salina aquosa. O processo de usinagem eletroquímica faz com que pequenas partículas de metais sejam removidas da superfície da peça de trabalho. Os átomos de metal na superfície da peça de trabalho entram na solução como íons metálicos carregados positivamente, permitindo que a peça de trabalho atinja com precisão a forma geométrica necessária. "Ajustando a duração dos pulsos de corrente e a vibração da ferramenta, podemos remover o material da superfície de maneira muito uniforme, deixando superfícies particularmente lisas e alcançando alta precisão dimensional", diz Bähre.

Os pesquisadores examinam rigorosamente não apenas os metais usados, como alumínio, titânio ou ligas de aço, mas também as etapas individuais do processo envolvidas. "A otimização do pós-processamento requer uma compreensão completa do material e do processo. Precisamos saber, por exemplo, exatamente o que aconteceu com o metal durante o estágio de impressão 3D anterior. É por isso que estudamos cuidadosamente a microestrutura do metal produzido no processo de impressão 3D. Examinando meticulosamente a tecnologia de processo e o comportamento do material, podemos melhorar e otimizar os métodos eletroquímicos para obter superfícies ainda mais suaves ou geometrias mais complexas com níveis de precisão ainda mais altos'', explica Dirk Bähre.

A equipe realiza um grande número de experimentos em que primeiro fabrica a peça de metal usando a tecnologia de impressão 3D e, em seguida, determina como o estágio subsequente da usinagem eletroquímica pode ser otimizado para produzir os resultados necessários. "Examinamos em detalhes como os diferentes parâmetros de material e processo interagem e, em seguida, determinamos como o processo geral de produção deve ser configurado", explica Bähre. Em alguns casos, por exemplo, a ordem em que as etapas do processo são executadas prova ser crítica. Os pesquisadores realizam uma análise sistemática de todos os parâmetros de influência, realizando medições altamente precisas e análises detalhadas. Como resultado, os engenheiros têm vários meios de ajustar o processo de fabricação e adaptar os parâmetros do processo para atender aos requisitos da aplicação.