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Fabrico avançado de aditivos com análise térmica

O fabrico aditivo (AM), também conhecido como impressão 3D, é um processo de construção de estruturas complexas camada a camada. Permite a construção rápida e com economia de recursos de geometrias que anteriormente só podiam ser visualizadas como modelos 3D e, portanto, representa uma alternativa aos processos subtractivos tradicionais. Embora a AM venha a desempenhar um papel central na Indústria 5.0, tem de enfrentar desvios de fabrico significativos, como a elevada rugosidade da superfície, a porosidade, os efeitos de retração e os defeitos de adesão das camadas. Uma forma de os ultrapassar é o controlo do processo, no qual a análise térmica desempenha um papel fundamental. Devido ao processo de fabrico complexo e dinâmico, o conhecimento exato das propriedades térmicas, como a condutividade térmica, a capacidade térmica e a estabilidade térmica do material, é crucial para um processamento bem sucedido e sem erros.

Os processos de fabrico aditivo mais importantes

O fluxo de trabalho da AM começa com um modelo 3D digital baseado em CAD, que é normalmente processado no formato de dados de estereolitografia stl. Este modelo é dividido em camadas, que a impressora 3D constrói uma após a outra utilizando várias técnicas, incluindo

Fusão em leito de pó (PBF): Técnicas como a fusão selectiva por laser (SLM) e a fusão por feixe de electrões (EBM) fundem materiais em pó em camadas sólidas.

Extrusão de material (ME): Por exemplo, modelação por deposição fundida (FDM), em que os filamentos termoplásticos são fundidos e aplicados camada a camada.
Binder Jetting (BJ): Um aglutinante líquido liga as camadas de material em pó.
Jato de material: as gotas de material líquido são curadas camada a camada.
Fotopolimerização (PP): Estereolitografia (SLA) Uma resina de fotopolímero é curada com uma fonte de luz.
Laminação de chapas (SL): Cortam-se camadas finas de material (por exemplo, metal ou papel) e colam-se ou soldam-se

Estes métodos diferem em termos de velocidade, compatibilidade de materiais e aplicação, tornando-os adequados para diferentes indústrias e casos de utilização.

Propriedades térmicas e o seu significado para a AM

As propriedades térmicas dos materiais são cruciais para o sucesso dos processos de AM. Por exemplo, a condutividade térmica e a capacidade do material em pó têm uma influência direta na entrada de energia em processos baseados em laser, como a SLM. O conhecimento da dependência das propriedades térmicas em relação à temperatura permite uma gestão térmica adequada e um melhor controlo da poça de fusão e, por conseguinte, uma melhor gestão dos defeitos. As técnicas modernas de análise térmica permitem uma caraterização precisa do material em condições de processo e ajudam os fabricantes a selecionar os materiais certos e a otimizar os parâmetros do processo.

Materiais no fabrico de aditivos

A AM é adequada para uma vasta gama de materiais, incluindo:

Polímeros: Os representantes típicos são PLA (ME), PA12 (PBF), resina epóxi (PP), PMMA (BJ), fotopolímeros líquidos (MJ), PVC (SL)
Metais: As ligas metálicas de alumínio, as ligas de titânio medicamente compatíveis, como o Ti64, e o aço inoxidável são utilizadas na indústria e na indústria aeroespacial.
Cerâmica: Materiais como o dióxido de zircónio e o óxido de alumínio são ideais para componentes bioactivos e de alta temperatura.
Biomateriais: os hidrogéis e o colagénio abrem caminho a aplicações médicas inovadoras.
Compósitos: Os polímeros modernos reforçados com fibras estão a tornar-se cada vez mais populares para aplicações estruturais.

Até agora, o elevado grau de liberdade do processo de aditivação tem sido restringido pela disponibilidade limitada de materiais. Através da incorporação de cargas e aditivos, procura-se alargar constantemente a gama de produtos e desenvolver novas aplicações que exigem análises térmicas adicionais de misturas de materiais por vezes novas.

Aplicações inter-industriais

A versatilidade da AM estende-se a todas as indústrias, desde a aeroespacial e automóvel até à saúde e construção. Por exemplo:

Aeroespacial: geometrias leves e complexas melhoram a eficiência do combustível e o desempenho.
Cuidados de saúde: Implantes e próteses personalizados melhoram os resultados dos pacientes.
Construção: A impressão 3D de betão em larga escala está a revolucionar as práticas de construção sustentável.

A análise térmica garante que estas aplicações cumprem requisitos rigorosos, como o funcionamento a temperaturas extremas ou sob tensão mecânica.

Vantagens e potencialidades futuras

A AM oferece várias vantagens em relação ao fabrico tradicional:

Geometrias complexas: Permite desenhos complicados que não podem ser alcançados com métodos convencionais.
Prototipagem rápida: criação rápida de protótipos a partir de modelos 3D
Eficiência dos materiais: Reduz o desperdício utilizando apenas o material necessário.
Personalização: Permite soluções feitas à medida, especialmente no sector da saúde.
Eficiência de custos para pequenas séries: Rentável para a produção de pequenas séries.

Os futuros avanços na ciência dos materiais e na automatização dos processos, como a otimização apoiada por IA, irão explorar o potencial da AM e tornar o processo de fabrico adequado à Indústria 5.0. A análise térmica como pré e pós-processo continuará a ser uma pedra angular constante e dará um contributo importante para o desenvolvimento de novos materiais e processos.

Perspectivas científicas

A investigação recente destaca a integração da modelação computacional e da análise térmica [7] para simular e prever a distribuição de calor em tempo real utilizando gémeos digitais para otimizar o controlo do processo e o consumo de energia. A integração permanente da análise térmica no processo de fabrico como um método de medição in-situ ou em processo representa um passo significativo no desenvolvimento futuro da compreensão do processo.

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