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| As impressoras 3D de metal usadas pelo professor de engenharia da U of T Yu Zou e sua equipe |
TX, 14/03/2023
Por Safa Jinje
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Toronto, liderada pelo professor Yu Zou, da Faculdade de Ciências Aplicadas e Engenharia, está trabalhando para avançar no campo da manufatura aditiva de metal no primeiro laboratório de impressão 3D de metal da universidade.
A tecnologia, que usa desenho assistido por computador (CAD) para construir materiais camada por camada, pode melhorar a fabricação nas indústrias aeroespacial, biomédica, energética e automotiva.
"Estamos trabalhando para descobrir a física fundamental por trás do processo de fabricação aditiva, além de melhorar sua robustez e criar novos materiais estruturais e funcionais por meio de suas aplicações", diz Zou, professor assistente do departamento de ciência e engenharia de materiais.
Ao contrário da fabricação tradicional, na qual peças ou componentes são feitos de materiais a granel, o processo de impressão 3D de metal permite que a microestrutura e as constituições dos materiais sejam adaptadas localmente, o que significa que podem exibir propriedades distintas.
"Por exemplo, implantes médicos requerem materiais semelhantes a ossos humanos que são densos e duros por fora, mas porosos por dentro", diz Xiao Shang, Ph.D. candidato no laboratório de Zou. "Com a fabricação tradicional, isso é realmente difícil de conseguir, mas a impressão em metal oferece muito mais controle e produtos personalizados."
As técnicas de fabricação subtrativas geralmente envolvem a remoção de material para obter um produto final desejado. A manufatura aditiva, ao contrário, constrói novos objetos adicionando camadas de material. Esse processo reduz significativamente o tempo de produção, o custo de material e o consumo de energia ao produzir objetos como componentes de motores aeroespaciais, peças de ferramentas para produção automotiva, componentes críticos para reatores nucleares e implantes de juntas.
As impressoras 3D de metal da Zou são projetadas para se especializar tanto na fusão seletiva a laser quanto na deposição de energia direcionada – duas técnicas essenciais de fabricação aditiva de metal usadas tanto na academia quanto na indústria.
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| O professor assistente Yu Zou, à esquerda, e sua equipe de impressão 3D |
Primeiro, o software CAD é usado para criar um modelo 3D do objeto e suas camadas. Então, para cada camada, a máquina deposita uma camada muito fina de pó metálico, que é posteriormente derretido por um potente laser de acordo com a geometria definida pelo modelo 3D.
Depois que o metal fundido solidifica, ele adere à camada anterior ou ao substrato. Depois que cada camada estiver concluída, a máquina repetirá o processo de dopagem em pó e fusão a laser até que todas as camadas sejam impressas e o objeto esteja concluído.
"As técnicas de fabricação convencionais ainda são adequadas para a fabricação industrial em larga escala", diz Tianyi Lyu, Ph.D. candidato em ciência e engenharia de materiais. "Mas a fabricação aditiva tem recursos que vão além do que as técnicas convencionais podem fazer. Isso inclui a fabricação de geometrias complexas, prototipagem rápida e personalização de projetos e controle preciso das propriedades do material."
Por exemplo, os profissionais de odontologia podem usar a fusão a laser seletiva para criar dentaduras ou implantes personalizados para pacientes específicos por meio de um modelo 3D preciso com precisão dimensional de alguns micrômetros. A prototipagem rápida também permite ajustes fáceis do design da prótese. E como os implantes podem exigir diferentes propriedades de material em locais distintos, isso pode ser obtido simplesmente alterando os parâmetros do processo.
A equipe também está aplicando novos métodos experimentais e analíticos para obter uma melhor compreensão da fusão seletiva a laser e dos processos de impressão por deposição de energia direcionada. Atualmente, suas pesquisas estão focadas em aços avançados, superligas à base de níquel e ligas de alta entropia, e podem expandir para explorar titânio e ligas de alumínio no futuro.
"Um dos maiores gargalos no projeto de ligas convencionais atualmente são os grandes tempos de processamento necessários para criar e testar novos materiais. Esse tipo de projeto de alto rendimento simplesmente não é possível para métodos de fabricação convencionais", diz Ajay Talbot, aluno de mestrado em ciência e engenharia de materiais.
Com técnicas de manufatura aditiva, como deposição de energia direcionada, a equipe está aumentando rapidamente a quantidade de sistemas de ligas explorados, alterando a composição dos materiais durante o processo de impressão adicionando ou removendo certos elementos.
"Também estamos trabalhando para uma fabricação inteligente. Durante o processo de impressão 3D de metal, a interação entre um laser de alta energia e o material dura apenas alguns microssegundos. No entanto, dentro desse prazo limitado, fenômenos multiescala e multifísica ocorrem no lugar", diz Jiahui Zhang, Ph.D. candidato em ciência e engenharia de materiais. “Nosso principal desafio é obter dados para capturar esses fenômenos".
“Em nossa pesquisa, personalizamos com sucesso métodos específicos de aprendizado de máquina para diferentes partes do ciclo de vida da fabricação de aditivos metálicos”.
No laboratório, sistemas de câmeras infravermelhas de alta velocidade são integrados diretamente nas impressoras 3D de metal. A equipe também construiu um sistema de monitoramento in-situ com base nas imagens tiradas pela impressora para analisar e extrair as principais características dos objetos impressos.
“Com o desenvolvimento da visão computacional, um modelo de aprendizado profundo bem treinado pode realizar automaticamente algumas tarefas básicas que os sistemas visuais humanos podem fazer, como classificação, detecção e segmentação”, acrescenta Zhang.
Um dos problemas com os atuais processos de manufatura aditiva é construir uma impressora 3D robusta e confiável que possa fornecer peças consistentes de alta qualidade. Para esse fim, a equipe está trabalhando ativamente para aplicar aprendizado de máquina e visão computacional para desenvolver um sistema de impressão 3D controlado por circuito fechado totalmente autônomo que pode detectar e corrigir defeitos que, de outra forma, surgiriam em peças feitas por meio de manufatura aditiva. A implementação desses sistemas pode ampliar muito a adoção de sistemas de fabricação de aditivos metálicos na indústria, diz Zou.
Desde o desenvolvimento das capacidades de impressão de metal do laboratório, Zou e sua equipe estabeleceram parcerias com laboratórios de pesquisa do governo, incluindo o National Research Council Canada (NRC) e muitas empresas canadenses, incluindo Oetiker Limited, Mech Solutions Ltd., EXCO Engineering e Magna International.
"A impressão 3D de metal tem o potencial de revolucionar a fabricação como a conhecemos", diz Zou, que oferece um curso de manufatura aditiva disponível para alunos de graduação e pós-graduação. "Com sistemas autônomos robustos, o custo de operação desses sistemas pode ser drasticamente reduzido, permitindo que a manufatura aditiva de metal seja adotada mais amplamente nas indústrias em todo o mundo. O processo também reduz o desperdício de materiais e energia, levando a uma indústria de manufatura mais sustentável."
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Fonte:https://techxplore.com/news/2023-03-advance-metal-3d-technology-automotive.html
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