Que metal pode ser usado na impressão 3D?

Impressão 3D de metal está revolucionando o mundo da manufatura a uma velocidade nunca antes vista, libertando projetos e engenheiros das restrições tradicionais. De alto desempenho componentes aeroespaciais para indivíduo dispositivos médicos para equipamentos industriais complexos e que economizam peso, a seleção precisa do material metálico é a porta para desbloquear esses usos. Este artigo aborda completamente os principais Metais imprimíveis em 3D como ligas de titânio, ligas de alumínio, aço inoxidável, ligas de alta temperatura, aços para ferramentas e metais preciosos , suas propriedades características, processos apropriados e áreas primárias de uso, liberando o potencial ilimitado da fabricação aditiva com metais.

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Tipo de metal	Principais características e usos típicos
Titânio Liga (Ti6Al4V)	Alta relação resistência/peso, boa biocompatibilidade; componentes estruturais aeroespaciais, componentes de veículos de alto desempenho e orth
Alumínio Liga (AlSi10Mg, Scalmalloy)	Alta condutividade elétrica e térmica, leve; peças de veículos, peso leve, chassis de drones, painéis de naves espaciais.
Aço inoxidável （316L, 17-4PH, 15-5PH）	Alta resistência à corrosão, excelentes propriedades mecânicas; equipamentos de processamento de alimentos, peças de hardware marítimo, porta-ferramentas, dispositivos médicos e tubos e válvulas industriais.
Superliga (Inconel 718/625, Hastelloy X)	Alta resistência em temperaturas elevadas, resistência à oxidação e resistência à fluência; componentes de motores de aeronaves (impulsores de pás de turbinas), turbinas a gás, motores de foguetes e fornos de alta temperatura.
Aço ferramenta (H13, Aço Maraging 300/350)	Alta dureza, alta resistência ao desgaste e alta resistência ao tratamento térmico; inserto para moldagem por injeção, moldes fundidos, ferramenta de corte e funcionalidade de alto desempenho
Metais preciosos (ouro, prata, platina)	Alto valor, qualidades únicas (condutividade, bioinércia, atividade catalítica); aplicações em joias, contatos eletrônicos especiais e dispositivos médicos/de pesquisa especiais.
Cobre ligas (cobre puro, CuCrZr)	Excelente condutância elétrica e térmica; aplicado em dissipadores de calor, trocadores de calor, bobinas de indução, enrolamentos de motores e conectores condutores.
Liga de cobalto-cromo (CoCr)	Resistência superior ao desgaste com alta resistência e boa biocompatibilidade; aplicação para restauradores dentários (coroas/pontes)

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Liga de titânio: o rei do peso leve e da alta resistência

Introdução detalhada ao Ti6Al4V (Graus 5 e 23) e outras ligas de titânio

Ti6Al4V

Também conhecido como Liga de titânio TC4 , é uma liga típica de titânio α+β. Sua composição química consiste principalmente em: titânio (Ti) como matriz; alumínio (Al) (6%) para aumentar a resistência e estabilidade térmica da liga; e vanádio (V) (4%) para melhorar a plasticidade e a resistência à corrosão. O Ti6Al4V combina inúmeras vantagens, incluindo resistência, tenacidade, resistência ao calor e à corrosão e baixa densidade. É a liga de titânio mais utilizada no mundo, representando mais de 50% do uso global de ligas de titânio. Simplificando, é mais duro que o alumínio, mais leve que o aço e mais resistente à corrosão que o aço inoxidável.

Grau 5 (Ti-6Al-4V)

O grau 5 (Ti-6Al-4V), o grau robusto, é o mais amplamente utilizado liga de titânio burro de carga porque oferece a melhor combinação de resistência à tração (≥895 MPa), resistência ao escoamento (≥830 MPa) e ductilidade progressivamente alta (alongamento ≥10%) . Grau 23 com baixo teor intersticial (Ti-6Al-4V ELI, Intersticial Extra Baixo) aumenta acentuadamente, sem reduzir a alta resistência (resistência à tração ≥828 MPa), a tenacidade à fratura e a tolerância a danos. É particularmente adequado para componentes estruturais de suporte de carga críticos para a segurança que exigem máxima confiabilidade, alta resistência a tensões multiaxiais ou serviço em baixa temperatura, por exemplo, risers de exploração de poços de petróleo em alto mar, peças aeronáuticas e próteses articulares.

Além das séries Grau 5 e Grau 23, a família de ligas de titânio contém ainda alta resistência e durabilidade TC21 (com resistência à tração de ≥1100 MPa), resistência a altas temperaturas TC11 (-capaz de ser utilizado dentro de 500°C) e titânio puro comercial TA1/Ti Grau 2 (-boa resistência à corrosão e conformabilidade, comumente vista em engenharia química, bem como em geral aplicações médicas ). Todas as ligas controlam genuinamente o conteúdo de elementos constituintes como Al, V, Ru e elementos interestelares (O, N, C e Fe) em um esforço para satisfazer as necessidades de ambientes de serviço diferentes e rigorosos por alta resistência, alta tenacidade, alta resistência à corrosão, boa soldabilidade e alta biocompatibilidade.

Características

Alta relação resistência-peso, alta resistência à corrosão e boa biocompatibilidade. As ligas de titânio Ti-6Al-4V fornecem o equilíbrio ideal entre propriedades mecânicas, de corrosão e físicas.

Alta relação resistência-peso: Embora sua densidade seja de apenas 4,43 g/cm³, apenas 60% da do aço, a resistência específica da liga de titânio é igual, se não exceder, a dos aços-liga de alta resistência. Conseqüentemente, os componentes de liga de titânio, submetidos a uma carga semelhante, apresentam uma redução esmagadora de 40% no peso. Seu limite de escoamento, geralmente 800-880 MPa, é tal que o exposições de materiais , mesmo sob tensão elevada, deformação dúctil e é muito menos provável que falhe por fragilidade.

Boa resistência à corrosão: Em meios agressivos como ácido fluorídrico, ácido acético e ácido fórmico, uma fina camada passiva de óxido de titânio extremamente rápida adere à sua superfície, o que lhe confere boa resistência à corrosão, permitindo assim que seja utilizado em uso químico, bem como em atmosfera aquática.

Maior biocompatibilidade: As ligas de titânio, especialmente Grau 23 ELI, não são sensibilizantes, não são tóxicas e não são magnéticas para o tecido humano. O módulo de elasticidade das ligas de titânio é muito próximo ao do osso humano, minimizando consideravelmente a proteção contra tensões e causando melhor osseointegração. A resistência ao desgaste e a bioatividade podem ser melhoradas através de tratamentos de superfície (por exemplo, revestimentos de nitreto de titânio ) e, portanto, é favorável para articulações artificiais (articulação do quadril e joelho), placas ósseas, parafusos ósseos, implantes dentários e implantes craniomaxilofaciais avançados. O implante protético de liga de titânio personalizado que foi usado durante a primeira "substituição total do corpo vertebral cervical impressa em 3D" do mundo funcionou por oito anos naquele paciente e voltou a ter vida de alto padrão, demonstrando seu alto nível de biocompatibilidade e longa durabilidade.

Processos Relevantes: As ligas de titânio são mais precisas e eficientes no caso da impressão 3D para permitir potencialidades de design de componentes personalizados, por exemplo, SLM , EBM e DED.

Aplicações: Devido às suas excelentes propriedades, as ligas de titânio emergiram como um produto emblemático em uma variedade de aplicações de alto desempenho, que vão desde stents aeroespaciais, peças de motor, substituições de articulações de dispositivos médicos, implantes craniomaxilofaciais, carros de corrida de alto desempenho, até dispositivos esportivos.

Aço inoxidável: a espinha dorsal da resistência à corrosão e das aplicações industriais

Descrição detalhada de 316L (resistente à corrosão), 17-4PH / 15-5PH (endurecimento por precipitação), 304L, 420, etc.

Aço Inoxidável 316L

ComAço inoxidável 316L por ser um aço inoxidável contendo molibdênio, é mais resistente à corrosão comparado ao aço inoxidável 304 l, sendo portanto um material adequado para equipamentos em celulose e fabricação de papel . O aço inoxidável 316 também resiste a atmosferas industriais e marítimas adversas. O aço inoxidável 316L também resiste à precipitação de carboneto por mais tempo do que o aço inoxidável 316 e, portanto, é qualificado para aplicações de alta temperatura. Como uma liga de aço 316 com baixo teor de C, o 316L carrega os mesmos atributos do aço 316, mas com maior resistência à corrosão intergranular. Este é um requisito específico na aplicação do aço 316, onde a resistência à corrosão intergranular é um parâmetro importante. Entre todas as formas de aço inoxidável, 316L e 17-4PH são comumente considerados o casal de ouro da impressão 3D. De todas essas formas de aço inoxidável, o 316L, com melhor resistência à corrosão e biocompatibilidade aprimorada, tem bom desempenho em aplicações médicas.

17-4PH / 15-5PH (endurecimento por precipitação)

Inoxidável 15-5 é um aço inoxidável martensítico que pode ser utilizado em diversos usos. É perfeito para uso em projetos onde é necessário um grau maior de resistência à corrosão e desempenho transversal em relação a outros martensíticos. A temperatura do tratamento térmico pode então ser variada para alterar o grau de resistência e dureza necessários para um projeto individual.

17-4PH é uma liga de uma família de ligas de endurecimento por precipitação aço inoxidável martensítico ligas que exibem alta dureza e resistência e resistência moderada à corrosão até 600°F. Ele possui qualidades de fabricação úteis e pode ser endurecido pelo envelhecimento por meio de um único recozimento de 900-1150°F. Esta liga tem visto amplo serviço em equipamentos, acessórios e ferragens para campos de petróleo e processamento petroquímico.

Aço inoxidável 304L

É uma liga de aço 304 com baixo teor de carbono . O 304L possui baixo teor de carbono, o que reduz a precipitação prejudicial de carboneto durante a soldagem. Por esta razão, 304L "pode ​​ser soldado "em ambientes corrosivos hostis sem recozimento. As propriedades mecânicas da classe são ligeiramente inferiores às da classe 304 padrão, mas é comumente utilizada devido à sua versatilidade. Tal como acontece com aço inoxidável 304 , é comumente usado na indústria cervejeira e vinícola, mas pode ser usado para criar aplicações de produtos da indústria não alimentícia, que incluem recipientes de armazenamento de produtos químicos, mineração e construção. É ideal para ser usado em componentes metálicos como porcas e parafusos que ficam expostos à água do mar.

304L desfruta de uma demanda estável que existe em usos não aplicativos, como fabricação de protótipos devido à sua competitividade em custos. O aço grau 420 é um aço inoxidável martensítico com alto teor de carbono e nível mínimo de cromo de 12%. O aço grau 420 e o aço inoxidável em geral podem ser endurecidos desde seu estado inicial por tratamento térmico. O aço grau 420, depois de recozido, é relativamente dúctil e excelente em resistência à corrosão após polimento, após retificação de superfície ou após têmpera. O aço grau 420 é ideal para qualquer tipo de máquina de precisão, uso em rolamentos, dispositivos elétricos, instrumentos, medidores, transporte de veículos, utensílios de cozinha, serviços de alimentação e dispositivos médicos de aço inoxidável.

Propriedades: Resistência à corrosão muito alta, propriedades mecânicas superiores ou pode ser tratada termicamente com alta resistência e custo relativamente baixo.

Processos de aplicação: Devido à sua alta resistência, resistência à corrosão, tratamento térmico de alta resistência e compatibilidade com massa popular processos 3D de metal como SLM, DED e Binder Jetting, o aço inoxidável é bem conhecido por Imprimir metais em 3D .

Aplicação: Válvulas de tubos da indústria química, alimentícia, naval, dispositivos médicos, peças de ferramentas ou moldes, ferragens arquitetônicas e peças de função geral.

Ligas para altas temperaturas: guardiãs de ambientes extremos

Visão geral extensa de ligas à base de níquel e cobalto, como Inconel 718, Inconel 625, Hastelloy X e Haynes 282.

Inconel 718

É uma liga de níquel de alto desempenho, utilizada basicamente em ambientes corrosivos e também em ambientes de alta temperatura. Ele fornece alta resistência, resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e ordem mais alta soldabilidade e usinabilidade. Possui alto teor de níquel, cromo, ferro e outras ligas em sua composição química, o que proporciona forte resistência ao calor e à oxidação.

Inconel 625

É uma liga à base de níquel contendo níquel, cromo e molibdênio e níveis vestigiais de titânio e alumínio . Demonstra boa resistência à corrosão e características de alta temperatura. Possui propriedades adequadas para uso em uma variedade de ambientes hostis, pois é fortemente resistente à corrosão e à oxidação.
Hastelloy X é uma liga de molibdênio e cromo de alta temperatura com alto teor de ferro que é uma liga sólida reforçada por solução.

HastelloyX

É resistente à oxidação e à corrosão e possui alta resistência à fluência e tenacidade mesmo em altas temperaturas (por exemplo, abaixo de 900°C) e também em atmosferas de cementação e nitretação e em atmosferas neutras e redutoras.

Liga Haynes 282

É uma superliga de reforço de grau Y avançada que foi desenvolvida especialmente para serviços estruturais de alta temperatura, especialmente para uso em motores terrestres e de turbina na indústria aeroespacial. Oferece um excelente equilíbrio entre soldabilidade, estabilidade térmica, resistência à fluência e usinabilidade em comparação com ligas comerciais .

Propriedades: excelente resistência a altas temperaturas, alta resistência à oxidação, fluência e corrosão.

Processo Aplicável: SLM, EBM, com especialização especial em DED

Aplicações: Aplicações de motores de aeronaves , componentes de turbinas a gás de seção quente (pás de turbina, combustores), componentes de motores de foguetes, componentes de energia nuclear, fornos de alta temperatura.

Aço para ferramentas e aço para matrizes: resistente ao desgaste e durável

Introdução detalhada: H13 (trabalho a quente), Maraging Steel 300/350 (endurecimento por envelhecimento), 18Ni300, M2 (aço rápido), Toolox 33/44, etc.

H13

É um aço para ferramentas de liga e um aço para trabalho de alta velocidade e é aplicado principalmente em matrizes de alta temperatura e alta pressão, como matrizes forjadas a quente, fundidas em liga de alumínio e matrizes de extrusão a quente. H13 possui alta resistência ao calor, dureza vermelha e tenacidade e resistência superior à fadiga térmica e, portanto, tem um desempenho muito bom em serviços em altas temperaturas.

Propriedades: Grande dureza, grande resistência ao desgaste e grande resistência a altas temperaturas (aço para trabalho a quente); resistência extremamente alta após tratamento térmico ( aço maraging ).

Maraging Steel 300/350 (endurecimento por envelhecimento)

O envelhecimento, ou Maraging Steel 300/350, é um aço de alta resistência que consiste em uma matriz de martensita de baixo carbono ou carbono livre que atinge dureza a partir da precipitação de compostos intermetálicos no envelhecimento. Não atinge, como acontece com o aço convencional de alta resistência, dureza a partir do carbono, mas sim a partir da precipitação e dispersão de compostos intermetálicos e, portanto, difere do aço convencional em vários aspectos. As características incluem alta resistência, alta tenacidade, baixa temperabilidade, boa conformabilidade, fácil tratamento térmico, sem distorção durante o envelhecimento e boa soldabilidade.

18Ni300

É uma liga da série Maraging 300 e tem sua composição e suas qualidades. Suas principais vantagens são a distorção mínima quando envelhecido em baixas temperaturas, num esforço para alcançar a estabilidade dimensional de componentes precisos; sua temperabilidade por trabalho a frio é baixa , o que garante que seja ideal para aplicações complexas estampagem e formação . Suas aplicações são em projéteis de mísseis, bielas de carros de corrida de alto rendimento e precisão fundição de moldes de tiro .

M2 (aço rápido)

É aço para ferramentas de alta velocidade com base de molibdênio, uma liga composta principalmente de carbono, molibdênio, tungstênio, cromo e vanádio . Alta resistência ao desgaste, choque e alta temperatura (retendo qualidades de até 600°C) existe neste aço, que pode ser utilizado em ferramenta de corte , molde e fabricação de componentes de alta resistência. A alta uniformidade de distribuição do metal duro e a alta propriedade de tenacidade caracterizam este aço, que é, no entanto, propenso ao superaquecimento e necessita de controle rigoroso dos parâmetros de tratamento térmico. A adição de cério, uma terra rara, grão fino refina o tamanho do metal duro, reduz a segregação da liga e enriquece a capacidade e processabilidade em altas temperaturas.

Toolox 33/444

O Toolox 33/44, que é um aço revolucionário tratável termicamente , é pré-endurecido até HRC 33 (Toolox 33) e HRC 44 (Toolox 44) no laminador, o que elimina custos e tempo de ciclo para tratamento térmico. Alta eficácia de usinagem, altas velocidades de corte direto, que são mais rápidas, e bom desempenho de EDM e polimento, reduzindo em um terço o tempo de polimento, existem neste aço, que possui alta eficácia de usinagem. Tratamentos de superfície compatíveis otimizam ainda mais a resistência ao desgaste. Em tamanho grande, é comumente útil em moldes de injeção , matrizes de estampagem de automóveis e acessórios de robôs, reduzindo o tempo de entrega.

Processos aplicáveis: SLM, EBM, com particular força em DED.

Aplicações: Insertos de moldes de injeção/fundição sob pressão, particularmente aqueles com canais de resfriamento conformados, matrizes de estampagem/formação, ferramentas de corte e peças de resistência ao desgaste.

Metais preciosos e ligas especiais: atendendo a necessidades exclusivas

Ouro, Prata e Platina

Eles são os metais preciosos para atender às necessidades exclusivas de impressão 3D.
Joias: As joias devem ser quimicamente inertes à temperatura e pressão ambiente padrão e à prova de corrosão contra os principais constituintes da água e do ar. A estabilidade química é excelente em ouro. A prata tem aparência metálica esbranquiçada, é facilmente obtida, é barata e emergiu como a escolha preferida para joias. A platina , que é ouro branco, é prateada esbranquiçada em aparência metálica , é altamente dúctil e à prova de corrosão contra ácidos fortes corrosivos e álcalis fortes e tem um ponto de fusão extremamente alto.

Contatos eletrônicos especiais: Em microcontatos eletrônicos , o ouro resiste à erosão do arco ; a prata resiste à inibição da eletromigração ; e a platina resiste à oxidação em altas temperaturas . Esses metais nobres, da mesma forma, estão sendo utilizados em contatos de relés aeroespaciais e conectores de supercondutores de platina em máquinas de ressonância magnética nuclear.

Dispositivos biomédicos para pesquisa: sensores implantados (ouro), dispositivos de platina para liberação de medicamentos anticâncer e superfícies antibacterianas de prata.

Ligas de cobre (cobre puro, CuCrZr)

Altamente condutores de eletricidade e calor e são utilizados em peças de motores, dissipadores de calor, trocadores de calor e bobinas de indução. A liga de cobalto-cromo (CoCrMo) é extremamente resistente ao desgaste e também extremamente biocompatível, e está sendo utilizada em restaurações dentárias, bem como em certos implantes ortopédicos.

Processos apropriados: SLM (parâmetros especiais necessários), BJ (metais valiosos) e DED (cobre).

FQAs

1. A resistência dos componentes metálicos impressos em 3D será semelhante à dos componentes forjados?

Sim. A otimização adequada dos processos pós-tratamento, por exemplo, por tratamento térmico, pode tornar o resultado peças metálicas produzidos por processos como SLM ou EBM, por exemplo, a resistência e a fadiga atingem e até excedem as dos análogos tradicionais das peças forjadas.

2. Você pode substituir a fabricação convencional (por exemplo, fundição e CNC ) totalmente com impressão 3D metálica?

Ainda não, não pode. É melhor para formas complexas, personalização para produção curta e ligas difíceis de usinar . A produção em massa de peças comuns, no entanto, é menos dispendiosa e mais rápida com métodos convencionais, e ambos os processos são complementares.

3. O metal impresso em 3D precisa de pós-processamento?

Sim, com exceções extremamente raras, todos os componentes metálicos impressos em 3D requerem pós-processamento. Os processos comuns associados à impressão 3D de metais são remoção de estruturas de suporte, alívio de tensões, tratamento térmico, acabamento superficial (usinagem, polimento, jato de areia ) e HIP (com o objetivo de melhorar a densidade e eliminar poros).

4. A impressão 3D de metal é mais cara devido ao custo do material?

Seu custo geralmente é significativamente maior do que o da barra ou bloco de metal com o qual seria fabricado. Acrescenta uma quantia não negligenciável ao custo de um impressão 3D metálica , embora a sua relação custo-benefício global deva ser avaliada como um pacote, juntamente com a sua liberdade de concepção e o seu papel na poupança de materiais.

Resumo

Impressão 3D de metal A biblioteca de materiais continua a crescer exponencialmente, desde ligas convencionais de titânio, ligas de alumínio, aço inoxidável e ligas de alta temperatura, passando por aços raros para ferramentas, metais nobres, até ligas de cobre. Cada um deles fornece, em uma combinação individual, uma seleção de propriedades como resistência, leveza, capacidade para altas temperaturas, resistência à corrosão, condutividade elétrica, capacidade térmica e biocompatibilidade para aplicações específicas de alta tecnologia. Tecnologias inovadoras permitem o processamento eficiente desses materiais em geometrias altamente complexas, impossíveis através de processos convencionais, alterando o design, protótipo e fabricar componentes de alto desempenho.

Quando a restrição de projeto inovador é o seu problema, a leveza, a redução do tempo de entrega ou a usinagem de materiais difíceis de cortar são o seu desafio, o seu impressão 3D metálica e a seleção de materiais são potências de solução. A compreensão profunda das propriedades e aplicações dos seus materiais é a chave para desbloquear esta tecnologia de mudança de paradigma para criação e diferenciação. Selecionar o metal certo nos abre para uma capacidade infinita de fabricação aditiva!

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