Metais para Impressão 3D: Guia para Escolher o Material Certo

Metais para impressão 3D

A impressão 3D em metal ultrapassou os limites dos laboratórios de prototipagem. Ela é utilizada por diversos setores, desde o aeroespacial até a fabricação de dispositivos médicos, para criar componentes de alto desempenho com geometrias que a usinagem convencional não consegue produzir. A variedade de metais que podem ser impressos cresceu significativamente à medida que a tecnologia amadureceu. Escolher o material certo é tão importante quanto selecionar a máquina certa.

As equipes de engenharia e compras estão mais bem preparadas para tomar decisões quando conhecem as propriedades mecânicas de cada material, seu perfil de custo e suas aplicações ideais. Uma escolha inadequada pode levar ao baixo desempenho das peças, aumento de custos ou pós-processamento dispendioso, o que anula as vantagens da manufatura aditiva. A seleção de materiais pode afetar tudo, seja em componentes estruturais, implantes biomédicos ou ferramentas.

A Boda Tech estabelece parcerias com fabricantes de diversos setores para encontrar o melhor processo de impressão 3D em metal para cada aplicação. impressão 3D personalizada recursos e razoáveis custos de impressão 3D em metal São bons pontos de partida ao avaliar suas opções.

O que é Metal 3D Printing?

A fabricação aditiva de metal também é conhecida como impressão 3D de metalA manufatura aditiva constrói peças a partir de arquivos digitais usando pós metálicos, fios ou formas moldadas. Ao contrário da manufatura subtrativa, que remove material de um bloco, os processos aditivos depositam material apenas nas áreas necessárias. Isso reduz o desperdício e permite geometrias internas complexas, que seriam impossíveis de usinar de outra forma.

A fusão em leito de pó, a extrusão de pó aglomerado e a deposição direta de energia são as famílias de processos mais comumente utilizadas. Cada processo possui características diferentes em termos de compatibilidade de materiais e resolução. Você poderá escolher os metais que deseja trabalhar com base no processo selecionado.

Impressão 3D em metal: como funciona

Estrutura cúbica em treliça impressa em 3D em metal

A Fusão em Leito de Pó (PLM) é um método de fusão de pó metálico através da derretimento seletivo, camada por camada, utilizando um feixe de laser ou um feixe de elétrons. O feixe funde a próxima seção transversal antes que cada nova camada de pó metálico seja aplicada à plataforma de construção. A Extrusão de Pó Ligado (MPE) envolve a mistura de pó metálico com um polímero ligante, a extrusão em um formato semelhante a uma pasta espessa e, em seguida, a sinterização em um forno para queimar o ligante. Ambos os métodos produzem peças densas e funcionais, mas cada um apresenta vantagens e desvantagens significativas em relação ao acabamento superficial, tempo de construção, precisão dimensional e opções de materiais.

Vantagens da fabricação convencional

A impressão 3D de metal se destaca na produção de peças que exigem estruturas em treliça ou geometrias orgânicas, impossíveis de serem produzidas por usinagem. Essa tecnologia também permite prazos de entrega mais curtos para componentes de baixo volume ou itens exclusivos, além de viabilizar a fabricação economicamente viável de ligas caras como Inconel e titânio, cujo custo de usinagem seria proibitivo. A manufatura aditiva não é apenas uma alternativa à usinagem para muitas aplicações de alto valor agregado, mas sim o único método de produção viável.

Materiais para Impressão 3D em Metal: Os 05 Metais Mais Comuns

Aço, superligas e titânio estão entre os materiais mais utilizados. 3D Materiais de Impressão para manufatura aditiva de metais. Cada grupo de materiais oferece um equilíbrio diferente entre propriedades mecânicas, custo e adequação à aplicação, enquanto as classes individuais são selecionadas com base em requisitos de desempenho específicos.

Aço

O aço é um dos metais mais utilizados em impressoras 3D. Sua popularidade como metal para impressão 3D se deve à sua excelente resistência e rigidez. A impressão 3D em aço também é amplamente utilizada na indústria, possui vasta experiência prática e apresenta custos relativamente baixos. A maioria dos tipos de aço pode ser impressa em 3D, mas os aços inoxidáveis ​​e os aços ferramenta são os mais populares. Esses materiais são caros e difíceis de usinar. A manufatura aditiva, portanto, surge como uma opção economicamente viável para esses tipos de aço.

Aços Inoxidáveis

Diferentes peças metálicas impressas em 3D

A resistência à corrosão dos aços inoxidáveis ​​deve-se à presença de pelo menos 12% de cromo. Dois tipos predominam na impressão 3D de aço inoxidável:

• Austenítico (316L): O aço inoxidável é o material mais comumente utilizado na impressão, apresentando excelente resistência à corrosão. Pode ser soldado e usinado, mas não submetido a tratamento térmico. É adequado para processamento químico, instrumentos médicos e equipamentos náuticos.
• 17-4 PH (Martensítico): Aço inoxidável 316L, endurecido por precipitação, que pode ser tratado termicamente para atingir uma ampla gama de propriedades mecânicas em diferentes estados de dureza. É mais duro e resistente que o 316L, porém menos resistente à corrosão. Amplamente utilizado na fabricação industrial e em componentes aeroespaciais.

Aços Ferramenta

Os aços ferramenta são projetados para operações específicas, como corte, retificação e estampagem. Esses aços contêm compostos de carbonetos, que proporcionam extrema dureza e resistência ao desgaste em temperaturas ambientes e elevadas. As três classes mais comuns impressas são:

• A2: Um aço ferramenta versátil para trabalho a frio, utilizado em punções, matrizes e ferramentas de uso geral. Apresenta um bom equilíbrio entre tenacidade e resistência ao desgaste.
• D2 É otimizado para proporcionar máxima resistência ao desgaste em aplicações de trabalho a frio, incluindo lâminas e cortadoras industriais.
• H13 Um aço ferramenta para altas temperaturas que combina resistência ao calor com tenacidade e resistência ao desgaste. É ideal para insertos de fundição e matrizes de forjamento.

Superligas – Inconel e Cromo-Cobalto

Peças metálicas impressas em 3D

As superligas podem ter um desempenho excepcional em ambientes extremos, onde o calor, a pressão e os agentes químicos corrosivos destruiriam as ligas tradicionais. A impressão 3D em metal é uma maneira econômica de produzir superligas que são difíceis e caras de fabricar por métodos tradicionais.

Inconel

O Inconel, uma família de superligas à base de níquel, é conhecido por sua extrema resistência, tenacidade e resistência à corrosão, mesmo em temperaturas nas quais o aço perderia sua integridade estrutural. O Inconel 625 é mais resistente à fadiga térmica e à oxidação, enquanto o Inconel 718 possui resistência e tenacidade superiores. Turbinas a gás, vedações de motores a jato, componentes de escapamento e peças de foguetes utilizam ambos os tipos de liga.

Cobalto Cromo

O cromo-cobalto combina alta relação resistência/peso, biocompatibilidade e resistência à corrosão. É uma alternativa ao titânio, mais densa e de alto desempenho, para aplicações que exigem confiabilidade estrutural e biocompatibilidade. O cromo-cobalto pode ser usado em diversas aplicações, incluindo turbinas, ambientes industriais e instrumentos médicos.

Titânio

O titânio é um material que oferece uma relação resistência/peso excepcional, mas também apresenta altos custos de matéria-prima e usinagem na fabricação convencional. Isso o torna um argumento convincente para a manufatura aditiva. A impressão 3D em titânio oferece economia de material, e a liberdade geométrica que proporciona muitas vezes justifica o custo mais elevado por máquina para componentes de titânio. Ele pode ser impresso em duas formas principais:

• Ti-6Al-4V: A liga de titânio mais comum usada na manufatura aditiva. É aproximadamente 40% mais leve que a 17-4 PH, mas possui resistência comparável ou superior. É resistente a ambientes corrosivos e altas temperaturas. É utilizada em estruturas aeroespaciais, componentes automotivos e equipamentos industriais, onde a redução de massa desempenha um papel fundamental.
• Titânio comercialmente puro: Menos resistente que o Ti64, mas mais biocompatível independentemente das condições de processamento. Utilizado em dispositivos médicos como implantes ortopédicos, parafusos ósseos e outros produtos médicos onde a biointegração é importante.

O titânio é um material fundamental para qualquer equipe de engenharia que produza peças metálicas impressas em 3D, onde a relação peso/desempenho determina o projeto.

Cobre

O cobre é um metal que ocupa um lugar especial na manufatura aditiva. Ele é escolhido quase exclusivamente por sua condutividade térmica e elétrica, e não por suas propriedades mecânicas. A impressão 3D em metal permite que os engenheiros criem componentes de cobre geometricamente otimizados que seriam muito difíceis de fabricar por usinagem ou fundição. Dissipadores de calor, barramentos, bobinas de indução e eletrodos de soldagem são algumas das aplicações.

• Cobre puro: Possui a maior condutividade térmica e elétrica entre todas as variantes de cobre. Sua alta refletância a laser, no entanto, o torna incompatível com sistemas de laser PBF padrão. Imprimível somente em máquinas de extrusão de pó aglomerado.
• Liga de cobre (ex.: C18150): Contém de 1 a 2% de componentes de liga, como cromo ou zinco, que reduzem a refletância do laser a ponto de permitir a impressão em certas plataformas de fusão seletiva a laser (PBF). A condutividade do cobre ligado é menor que a do cobre puro, mas ainda superior à dos outros grupos de metais.

Alumínio:

A impressão 3D em alumínio é muito menos comum do que a fabricação convencional. Isso se deve principalmente ao fato de que as ligas forjadas mais utilizadas, 6061 e 7075, não são imprimíveis com sistemas PBF padrão. Ligas de grau de fundição com até 12% de silício podem ser impressas, mas apresentam propriedades mecânicas inferiores às das ligas forjadas. O retorno sobre o investimento (ROI) para a impressão de alumínio é menor do que o da maioria dos outros metais devido ao custo relativamente baixo de usinagem do alumínio padrão.

A impressão contínua de compósitos de fibra é uma ótima opção para equipes de engenharia que precisam de peças com resistência equivalente à do alumínio. Ela também pode melhorar a rigidez, a resistência à fadiga e a resistência ao impacto. Considere essa alternativa antes de optar pela manufatura aditiva de alumínio.

Tabela comparativa de materiais para impressão 3D em metal

Quais são os melhores materiais para impressão 3D em metal?

 Impulsor de metal recém-impresso 

Compreender os requisitos do seu projeto em quatro dimensões – desempenho mecânico, requisitos de exposição ambiental, requisitos de biocompatibilidade e orçamento total – ajudará você a escolher o melhor material. Este é um erro dispendioso que as equipes costumam cometer ao passar da fase de protótipo para a produção.

Adequação do material ao ambiente de aplicação

As superligas devem ser consideradas se a sua peça estiver exposta a altas temperaturas ou ambientes quimicamente agressivos. O titânio é o material mais resistente para peças estruturais, onde o peso é importante. O aço ferramenta ou o aço inoxidável são os materiais mais econômicos para componentes e ferramentas industriais em geral. O cobre é o único metal capaz de fornecer os componentes de gerenciamento térmico exigidos pelos modernos sistemas eletrônicos e de energia.

Considere os requisitos de pós-processamento.

Diversos materiais necessitam de processamento adicional para atingirem suas características mecânicas finais. Outros materiais, como H13 e 17-4 PH, requerem tratamento térmico. Para eliminar a porosidade interna, componentes de superligas ou titânio são frequentemente selados por prensagem isostática a quente. O acabamento superficial é muitas vezes necessário para superfícies de vedação e interfaces de rolamentos. Essas etapas podem aumentar o tempo e o custo de um projeto. Ao selecionar materiais, elas não devem ser consideradas como uma reflexão tardia. 

Para materiais como Inconel ou titânio, o tratamento térmico ou a prensagem isostática a quente podem ser necessários para eliminar a porosidade interna e atingir a resistência mecânica exigida, o que aumenta o tempo e o custo do projeto. Já as peças de aço inoxidável normalmente precisam apenas de acabamento superficial, como polimento ou jateamento com microesferas, para atender aos requisitos de vedação e interface de rolamento. Compreender essas necessidades de pós-processamento para cada material antes da finalização do projeto ajuda a evitar estouros de orçamento e atrasos causados ​​por etapas adicionais inesperadas no final do processo de produção.

Equilibre custo-benefício.

O aço é menos caro que as superligas. No entanto, o titânio e as superligas têm custos de fabricação e processamento mais elevados. A análise de custos da impressão 3D em metal deve ser realizada juntamente com a seleção do material para projetos com orçamento limitado. A melhor relação custo-benefício é encontrada no aço inoxidável 316L, que pode ser usado em diversas aplicações. Este material deve ser a opção padrão, a menos que requisitos específicos exijam um grupo de desempenho superior.

Metal para Impressão 3D para peças automotivas

A indústria automotiva adotou a manufatura aditiva de metal em uma escala muito maior do que outros setores. Isso se deve à demanda por componentes estruturais leves e canais de refrigeração com topologias complexas. Suportes com topologias otimizadas também são muito procurados. Materiais adequados para componentes estruturais com restrições de peso incluem ligas de alumínio e titânio. O aço ferramenta é usado para matrizes e dispositivos de fixação. 

A produção de coletores de admissão e escape pode ser feita utilizando impressão 3D. Conjuntos de suportes personalizados, ferramentas de produção e componentes de suspensão também são possíveis. O resultado é uma redução no número de peças, sequências de montagem mais curtas e melhorias mensuráveis ​​na relação peso-desempenho em diversos programas de veículos.

Erros comuns na seleção de materiais metálicos para impressão 3D

Evitando erros comuns de seleção, você pode evitar atrasos na produção e economizar dinheiro.

• Se todas as ligas forem impressas da mesma forma, Nem todas as versões de um mesmo material didático podem ser impressas. Os tipos de alumínio forjado mais comumente usados, 6061 e 7705, não estão disponíveis como sistemas PBF padrão.
• Custos de pós-processamento não incluídos nas estimativas de custo. Muitos materiais, como Inconel ou titânio, exigem tratamento térmico e usinagem de acabamento após a impressão. Esses custos são frequentemente negligenciados no orçamento, o que leva a grandes estouros de orçamento durante a fase de produção.
• Especificar em excesso a qualidade do material: A utilização de Inconel quando o aço inoxidável 316L apresenta desempenho equivalente aumenta os custos de material e processamento. O material deve ser escolhido de acordo com o ambiente e não com base na especificação mais alta disponível.
• Ignorando a otimização do projeto para manufatura aditiva: As peças metálicas impressas em 3D permitem geometrias impossíveis de serem obtidas por usinagem. Substituir uma peça usinada sem redesenhá-la para a manufatura aditiva não será economicamente viável e representará uma perda do principal valor dessa tecnologia.

Conclusão 

Os materiais metálicos para impressão 3D estão disponíveis em uma variedade de propriedades, preços e aplicações. O cobre permite designs otimizados térmica e eletricamente. O alumínio é usado em aplicações onde o peso é um fator crítico e as restrições de imprimibilidade são aceitáveis. Para escolher o material certo para a aplicação certa, é importante avaliar as propriedades mecânicas, a compatibilidade com o processo, as necessidades de pós-processamento e o custo total.

A Boda Tech ajuda as equipes de engenharia e compras a escolherem o material, o processo e a abordagem de fabricação ideais para seus projetos. Seja para produzir sua primeira peça metálica por manufatura aditiva ou para expandir um fluxo de trabalho existente, nossa equipe está pronta para ajudar. Serviço de impressão 3D Abrange a seleção de materiais, suporte ao design e produção. Visite nossa página de impressão 3D personalizada ou entre em contato com nossa equipe para discutir seu projeto.

Perguntas Frequentes

Quais metais são mais comumente usados ​​na impressão 3D e por quê?

Metais como o aço (especialmente o aço inoxidável 316L e o 17-4 PH), o titânio (Ti-6Al-4V), o cromo-cobalto (cromo), o cobre e as ligas de alumínio para fundição são atualmente os mais utilizados na manufatura aditiva. O aço é o metal mais popular devido à sua relação custo-benefício e versatilidade em diversos setores.

Qual é o metal mais resistente que pode ser impresso em 3D?

Os aços mais duros são os aços-ferramenta. Em particular, o H13 e o D2 são tratados termicamente. O Inconel 718 é uma liga estrutural que oferece excepcional resistência à tração em altas temperaturas. Ligas de titânio, como o Ti-6Al-4V, são as mais resistentes em termos de relação resistência/peso. A melhor escolha dependerá se você está medindo limite de escoamento ou dureza, desempenho à fadiga ou desempenho em altas temperaturas.

Qual o custo da impressão 3D em metal?

A impressão 3D em metal tem um custo unitário maior do que a usinagem convencional quando utilizada em grandes volumes para geometrias simples. A manufatura aditiva costuma ser mais barata para geometrias complexas ou ligas difíceis de usinar, como Inconel ou titânio. O custo final é fortemente influenciado pela seleção do material, pela escolha do processo e pelo pós-processamento. Por isso, é importante modelar os custos antecipadamente.

O metal é mais resistente que o plástico?

Sim, em quase todas as aplicações estruturais. As peças metálicas impressas em 3D possuem propriedades mecânicas iguais ou superiores às de suas contrapartes usinadas feitas da mesma liga. Embora a impressão de compósitos de fibra contínua seja capaz de atingir a resistência do alumínio, ela não consegue igualar as ligas de alto desempenho sob condições de alta temperatura ou alta carga. O metal é o único material que pode ser usado para aplicações que exigem suporte de carga, desgaste intenso ou altas temperaturas.