A projeção de ligante é uma técnica de fabricação aditiva na qual uma cabeça de impressão deposita seletivamente um agente ligante líquido sobre uma fina camada de partículas de pó – metal, areia, cerâmica ou compósitos – para criar componentes únicos e de alto valor. Um mapa obtido de um arquivo de design digital é utilizado para repetir o processo de camadas até que o resultado desejado seja alcançado.

Transformando pós industriais em ferramentas e peças

A projeção de ligante é uma família de processos de fabricação aditiva. Na projeção de ligante, áreas do leito de pó são revestidas seletivamente com um ligante, que une área por área para formar peças sólidas uma a uma. Metais, areia e cerâmicas na forma granular são comumente usados na projeção de ligante.

As aplicações da projeção de ligante incluem a fabricação de protótipos em cores (como figuras), a produção de núcleos e moldes de fundição em areia de grandes dimensões e a produção de peças metálicas impressas em 3D a baixo custo.

Para aqueles que pretendem aproveitar ao máximo os benefícios da projeção de ligante, é crucial entender a mecânica básica do processo e como ela se relaciona com suas principais vantagens e limitações.

Projeção de ligante: Como funciona?

O processo de projeção de ligante envolve os seguintes passos:

  1. A plataforma de construção é recoberta com pó com a ajuda de uma lâmina de revestimento.
  2. Em seguida, um carro equipado com bicos de injeção de tinta (como os usados em impressoras 2D de mesa) passa sobre o leito, depositando seletivamente gotas de cola (agente ligante) para unir as partículas de pó. A projeção de ligante em cores também incorpora esta etapa de distribuição de tinta colorida. Cada gota tem aproximadamente 80 µm de diâmetro, permitindo uma boa resolução.
  3. Para recobrir a superfície, a plataforma de construção se move para baixo no final de cada camada. O processo é repetido até que a peça inteira esteja completa.
  4. A peça é encapsulada e curada em pó após a impressão. O ar pressurizado é então utilizado para remover o excesso de pó não ligado à peça e limpar a peça.

A maioria dos materiais requer algum pós-processamento. Peças metálicas de projeção de ligante, por exemplo, devem ser sinterizadas (ou tratadas termicamente de outra forma) ou infiltradas com um metal de baixa temperatura de fusão (geralmente bronze). Para melhorar a vivacidade das cores, os protótipos também são preenchidos com acrílico e revestidos. Normalmente, núcleos e moldes de fundição em areia podem ser usados imediatamente após a impressão 3D.

Como resultado, as peças saem da impressora em um estado “verde”. Como peças verdes, as peças de projeção de ligante sofrem de propriedades mecânicas pobres (muito frágeis) e têm alta porosidade.

Características da projeção de ligante

Parâmetros para a impressora

A maioria dos parâmetros do processo na projeção de ligante é definida pelo fabricante da máquina.

Em geral, a altura da camada varia com o material: modelos em cores geralmente têm 100 micrômetros de altura de camada, peças metálicas geralmente têm 50 micrômetros de altura de camada e materiais para moldes de fundição em areia geralmente têm 200-400 micrômetros de altura de camada.

A união ocorre à temperatura ambiente, tornando a projeção de ligante única entre outras tecnologias de impressão 3D. A projeção de ligante não é propensa a distorções térmicas (como warping, DMLS/SLM ou curvamento) que resultam de efeitos térmicos.

Portanto, as máquinas de projeção de ligante têm o maior volume de construção de qualquer tecnologia de impressão 3D (até 2200 x 1200 x 600 mm). Moldes para fundição em areia geralmente são produzidos por essas grandes máquinas. Um sistema de projeção de ligante metálico tem um volume de construção maior que um sistema DMLS/SLM (até 800 x 500 x 400 mm), permitindo a fabricação paralela de várias peças de uma vez. Devido ao passo de pós-processamento envolvido, o tamanho máximo da peça está limitado a 50 mm.

Além disso, a projeção de ligante não requer estruturas de suporte: o pó ao redor da peça fornece todo o suporte necessário (como no SLS). A projeção de ligante difere de outros processos de impressão 3D metálica por não exigir estruturas de suporte extensivas, permitindo a criação de estruturas metálicas de forma livre com restrições geométricas mínimas. Como veremos em uma seção posterior, a projeção de ligante metálico é propensa a imprecisões geométricas devido aos passos de pós-processamento.

Como as peças na projeção de ligante não precisam estar presas à plataforma de construção, todo o volume da construção pode ser utilizado. Portanto, a projeção de ligante é adequada para lotes pequenos a médios. O volume total da construção da máquina (empacotamento de recipientes) deve ser preenchido de forma eficaz para usar ao máximo as capacidades da projeção de ligante.

Projeção de ligante em cores

Assim como a injeção de material, a projeção de ligante pode produzir peças impressas em 3D em cores completas. Devido ao seu baixo custo, é frequentemente usada para imprimir figuras e mapas topográficos.

Os modelos são impressos em cores completas usando pó de arenito ou pó de PMMA. Primeiro, a cabeça de impressão principal projeta o agente ligante, depois uma cabeça de impressão secundária projeta uma tinta colorida. De forma semelhante a uma impressora de tinta 2D, diferentes cores de tinta podem ser combinadas para produzir uma ampla gama de cores.

Para melhorar a resistência da peça e a vivacidade das cores, as peças são revestidas com cianocrilato (super cola) ou um infiltrante diferente após a impressão. Além disso, uma camada secundária de epóxi pode ser adicionada para melhorar tanto a resistência quanto a aparência. Mesmo com esses passos adicionais, as peças de projeção de ligante em cores ainda são muito frágeis e não devem ser usadas para aplicações funcionais.

Um modelo CAD contendo informações de cor é necessário para produzir impressões em cores completas. Você pode aplicar cor aos modelos CAD de duas maneiras: por face ou como um mapa de textura. Adicionar cor a cada face é um processo rápido e fácil, mas usar um mapa de textura oferece um controle e detalhes maiores. Para instruções específicas, consulte o seu software CAD nativo.

O processo de projeção de ligante metálico

Comparado com outros processos de impressão 3D metálica (DMLS/SLM), a projeção de ligante é até 10 vezes mais econômica. O tamanho de construção da projeção de ligante é considerável, e as peças são produzidas sem a necessidade de estruturas de suporte, permitindo a criação de geometria complexa. A projeção de ligante metálico é, portanto, uma tecnologia muito atraente para a produção de metal de baixo a médio custo.

As peças metálicas de projeção de ligante não são adequadas para aplicações de alto nível devido às suas propriedades mecânicas. No entanto, as propriedades do material das peças produzidas são as mesmas das peças metálicas produzidas por moldagem por injeção de metal, que é um dos métodos de fabricação mais amplamente utilizados para produzir componentes metálicos em massa.

O processo de infiltração e sinterização

Para obter boas propriedades mecânicas, as peças metálicas de projeção de ligante requerem um processo secundário após a impressão, como infiltração ou sinterização, uma vez que as peças impressas consistem principalmente de partículas metálicas ligadas por um adesivo polimérico.

Após a impressão, a peça é colocada em um forno, onde o ligante é queimado, deixando vazios. Aproximadamente 60% da peça é porosa neste ponto. Utilizando a ação capilar, o bronze é então injetado nos vazios, resultando em peças com baixa porosidade e boa resistência.

Quando a impressão está completa, as peças são colocadas em um forno de alta temperatura, onde o ligante é queimado e as partículas metálicas são sinterizadas (unidas), resultando em peças com porosidade muito baixa.

Características da projeção de ligante metálico

A precisão e a tolerância do modelo podem variar muito dependendo do modelo e são difíceis de prever porque dependem da geometria. A contração das peças entre 25 e 75 mm é estimada entre 0,8% e 2%, enquanto a contração média de peças maiores é entre 3% e 4%. Durante a sinterização, as peças se contraem aproximadamente 20%. O software de projeção de ligante compensam a contração durante a etapa de design, mas a contração não uniforme pode precisar ser considerada quando o operador da máquina opera a máquina.

Imprecisões também podem ocorrer durante a etapa de pós-processamento. A temperatura da peça aumenta durante a sinterização, o que torna a peça mais macia. Uma área não suportada pode se deformar sob seu próprio peso quando está neste estado macio. Além disso, à medida que a peça encolhe durante a sinterização, há fricção entre a placa do forno e a superfície inferior da peça, causando deformação. Para garantir resultados ótimos aqui, a comunicação com o operador da máquina de projeção de ligante é fundamental.

Peças metálicas de projeção de ligante sinterizadas ou infiltradas terão uma porosidade interna (a sinterização produz peças com 97% de densidade, enquanto a infiltração é de aproximadamente 90%). Isso afeta as propriedades mecânicas das peças de projeção de ligante metálico, pois os vazios podem levar à formação de rachaduras. A fadiga e a resistência à fratura, bem como a elongação à ruptura, são as propriedades do material mais afetadas pela porosidade interna. Processos metalúrgicos avançados (como o prensamento isostático a quente ou HIP) podem ser aplicados para produzir peças com quase nenhuma porosidade interna. Para aplicações em que o desempenho mecânico é crucial, as soluções DMLS ou SLM são recomendadas.

A rugosidade superficial das peças de projeção de ligante metálico é uma vantagem sobre DMLS/SLM. As peças de projeção de ligante metálico geralmente têm uma rugosidade superficial de Ra 6 µm após o pós-processamento, que pode ser reduzida a Ra 3 µm se for utilizado um passo de granalhamento. Comparativamente, a rugosidade superficial das peças DMLS/SLM é de aproximadamente Ra 12-16 µm. Isso é particularmente importante para peças com geometrias internas, como canais internos, onde o pós-processamento é difícil.

Projeção de ligante: Vantagens e limitações

As principais vantagens e desvantagens da tecnologia são resumidas a seguir:

  • A projeção de ligante produz peças metálicas e protótipos em cores completas a uma fração do custo em comparação com DMLS/SLM e a injeção de material, respectivamente.
  • A projeção de ligante pode fabricar peças muito grandes e geometrias metálicas complexas, pois não é limitada pelos efeitos térmicos (por exemplo, warping).
  • As capacidades de fabricação da projeção de ligante são excelentes para produção em lotes pequenos a médios.
  • As peças metálicas de projeção de ligante têm propriedades mecânicas inferiores às peças DMLS/SLM, devido à sua maior porosidade.
  • Apenas detalhes grosseiros podem ser impressos com a projeção de ligante, uma vez que as peças são muito frágeis em seu estado verde e podem se fracturar durante o pós-processamento.
  • Em comparação com outros processos de impressão 3D, a projeção de ligante oferece uma seleção de materiais limitada.

Diretrizes

  • Use a projeção de ligante metálico para imprimir peças metálicas a baixo custo, para aplicações que não exigem um desempenho muito alto.
  • A projeção de ligante oferece mais liberdade de design do que o DMLS/SLM para peças metálicas impressas em 3D, pois os efeitos térmicos não são um problema durante o processo de fabricação.
  • É adequada apenas para fins visuais, pois a projeção de ligante é muito frágil.
  • A projeção de ligante pode ser usada para produzir núcleos e moldes de fundição em areia muito grandes.