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Introdução - Porque é que a análise de falhas térmicas é crucial
O fabrico aditivo estabeleceu-se como uma tecnologia transformadora na produção industrial – particularmente no desenvolvimento de protótipos funcionais. Permite a realização de geometrias altamente complexas que seriam quase impossíveis de produzir utilizando métodos de fabrico convencionais. No entanto, este elevado grau de liberdade de design também introduz novos desafios na garantia de qualidade: No fabrico aditivo, os componentes são construídos camada a camada, o que significa que mesmo os mais pequenos defeitos de material ou desvios de processo podem acumular-se e comprometer a funcionalidade do produto final.
Uma caraterística fundamental da qualidade é o comportamento térmico dos materiais utilizados. As diferenças
Neste contexto, análise térmica está a tornar-se cada vez mais importante – especialmente a a calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Oferece a possibilidade de testar os materiais para detetar anomalias térmicas antes e depois do processo de impressão. Isto não só permite uma melhor avaliação da qualidade do material, como também quantifica a influência dos parâmetros do processo, como a velocidade de arrefecimento ou as condições de armazenamento.
O objetivo deste artigo é ilustrar os benefícios práticos da DSC para o fabrico aditivo de protótipos funcionais. O foco é menos nos detalhes técnicos da metodologia de medição e mais na sua contribuição para a prevenção de erros, avaliação de materiais e otimização de processos. O foco está nas aplicações específicas, nos resultados actuais da investigação e na sua transferência para as rotinas industriais.
Análise térmica com DSC - fundamentos e potencial
A Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) é uma técnica termoanalítica utilizada para medir a quantidade de calor absorvida ou libertada por uma amostra durante um ciclo de temperatura programado. O método baseia-se na comparação do fluxo de calor entre a amostra em estudo e uma referência inerte em condições idênticas. Sempre que ocorre uma transição física ou química na amostra – como fusão, cristalização ou uma reação – o fluxo de calor altera-se de forma mensurável.
Ao avaliar as reacções térmicas sob condições de temperatura definidas, as flutuações específicas do material, os efeitos do envelhecimento ou as inomogeneidades podem ser objetivamente registados. Isto permite uma avaliação fiável da consistência do material e permite que tanto as condições de armazenamento como os parâmetros de fabrico sejam especificamente adaptados ao respetivo comportamento do material.
Na prática, isto significa que um material de partida polimérico, como a poliamida 12, pode apresentar um comportamento de fusão diferente, dependendo do armazenamento ou do pré-tratamento térmico, o que tem um impacto direto na qualidade do componente. O DSC pode ser utilizado para determinar se o pó ainda é processável devido a degradação térmica, cristalização ou alterações de aditivos. Ao mesmo tempo, o método também pode ser utilizado após o processo de impressão, por exemplo, para examinar a homogeneidade das estruturas ou para detetar transformações de fase indesejáveis.
Uma vantagem particular da DSC é a sua adequação para análises comparativas: comparando diretamente pós frescos, usados e reciclados, podem ser tiradas conclusões sobre o envelhecimento, estabilidade e reciclabilidade do material. Isto é particularmente relevante para as empresas que dependem da reutilização múltipla dos seus materiais por razões de custos. Estudos como o de Rüppel et al. (2022) mostram que os parâmetros térmicos podem mudar significativamente com a utilização repetida – com um impacto direto na qualidade da impressão.
Outra área de aplicação é o desenvolvimento direcionado de novas combinações de materiais: A DSC pode fornecer informações sobre se as misturas ou copolímeros apresentam um comportamento térmico homogéneo, se os aditivos estão distribuídos uniformemente ou se ocorrem reacções secundárias indesejáveis. Assim, o método também actua como uma ligação entre o desenvolvimento de materiais e a conceção de processos – um fator decisivo num ambiente industrial em que os ciclos de inovação são cada vez mais curtos.
Estes parâmetros são cruciais para o fabrico aditivo, uma vez que não só determinam o consumo de energia e as janelas do processo, como também decidem se um material é adequado para determinadas aplicações. Por exemplo, uma cristalinidade demasiado baixa pode levar à deformação, enquanto uma temperatura de fusão demasiado elevada impede a fusão completa. O DSC torna possível analisar estas propriedades na matéria-prima ou verificá-las após o processo de impressão.
Além disso, a DSC pode ser utilizada para estudar os efeitos de aditivos ou processos de envelhecimento. Isto é particularmente relevante quando os pós reciclados são reutilizados ou quando são testadas novas misturas de materiais. A reutilização de pós de polímeros como o PA12, por exemplo, depende fortemente do facto de as suas propriedades térmicas se alterarem significativamente durante o processo de impressão (Rüppel et al., 2022).
Três exemplos práticos da utilização do DSC
Pó metálico para SLM: ligas Fe-Si
As ligas Fe-Si, como a Fe-6,5% Si, oferecem uma elevada permeabilidade magnética e baixas perdas magnéticas, o que as torna particularmente procuradas para aplicações eléctricas. No entanto, estas ligas são muito frágeis e, por conseguinte, têm uma formabilidade limitada. No processo de fundição convencional, as geometrias possíveis são limitadas – um exemplo típico de um cenário de aplicação para o fabrico aditivo. Ao mesmo tempo, devido às suas propriedades físicas, estes materiais colocam exigências especiais ao controlo do processo na fusão selectiva a laser (SLM).
Num estudo realizado por Gao et al. (2023), a caraterização térmica destas ligas foi efectuada utilizando DSC. Entre outras coisas, os autores conseguiram quantificar a temperatura de Curie, a entalpia de fusão e as transições de fase sólida. Esta informação foi usada para tirar conclusões sobre a estabilidade térmica das ligas durante o processo a laser. O ajuste direcionado dos parâmetros do processo com base nestes dados tornou possível minimizar a fissuração e os defeitos de textura nos componentes finais. Este exemplo mostra como o DSC pode servir não só como ferramenta de diagnóstico, mas também como ferramenta de otimização do processo (Gao et al., 2023).
Poliamida 12 no processo PBF
Poliamida 12 (PA12) é o polímero mais utilizado no processo de Powder Bed Fusion (PBF), especialmente na sinterização a laser. A qualidade dos componentes resultantes depende em grande parte do controlo do processo térmico – mais especificamente, da chamada “janela de sinterização”. Esta descreve o intervalo de temperatura entre o início do processo de cristalização e a fusão completa. Só quando o pó se encontra dentro da janela de sinterização estável é que podem ser produzidos componentes densos e dimensionalmente estáveis.
Rüppel et al. (2022) utilizaram o DSC para mostrar que as propriedades térmicas da PA12 são sensíveis a influências externas. Conseguiram demonstrar que a duração do armazenamento, a absorção de humidade e a pré-carga térmica conduzem a mudanças significativas na janela de sinterização. Estas alterações têm um impacto direto na fiabilidade do processo e na precisão dimensional das estruturas impressas. O estudo permitiu definir critérios para a reutilização de pós e estabelecer limites para o envelhecimento admissível – uma contribuição decisiva para a utilização sustentável de materiais num contexto industrial.
Ligas de alumínio na produção de fundição aditiva
A DSC é também altamente relevante para materiais metálicos fora da fusão a laser. Um exemplo é a investigação de ligas de alumínio, como a EN AB-42000, que são utilizadas em processos de fabrico híbridos. Trata-se de processos de fundição em que são utilizados núcleos de areia fabricados aditivamente ou moldes de fundição para criar geometrias complexas.
Schwienheer et al. (2023) investigaram o tratamento térmico específico desta liga para melhorar as suas propriedades mecânicas. O DSC foi utilizado para determinar as temperaturas de transformação caraterísticas e as alterações de fase, que foram depois utilizadas como base para ciclos de tratamento térmico personalizados. O resultado foi um aumento significativo da ductilidade, mantendo a resistência – um compromisso típico na engenharia de fundição que foi especificamente resolvido graças aos dados de medição DSC. Esta aplicação ilustra que a análise térmica pode ser crucial não só para o fabrico aditivo em si, mas também para as etapas do processo a jusante, como o tratamento térmico e os testes finais.
Garantia de qualidade e implementação na indústria
A utilização industrial da Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) para garantia de qualidade no fabrico de aditivos está a tornar-se cada vez mais importante. Embora o processo tenha sido originalmente utilizado principalmente na investigação e desenvolvimento, está agora a estabelecer-se também em processos relacionados com a produção. O valor acrescentado reside não só na caraterização precisa dos materiais, mas sobretudo na capacidade de detetar desvios induzidos termicamente no processo de fabrico numa fase inicial e de tomar medidas preventivas específicas.
Uma área chave de aplicação é a inspeção de entrada de mercadorias. Mesmo antes do início do processo de impressão, uma análise DSC padronizada pode ser utilizada para determinar se um lote de material cumpre as especificações térmicas exigidas. Isto é particularmente importante para polímeros higroscópicos, como o PA12, uma vez que mesmo pequenos desvios na humidade residual ou na cristalinidade podem afetar o comportamento de impressão. Ao analisar o comportamento de fusão e cristalização, esses desvios de material podem ser claramente identificados – muito antes de se tornarem visíveis no componente.
Outra área de aplicação é a validação de processos. Neste caso, o DSC é utilizado para examinar amostras de teste ou amostras de referência retiradas do processo de produção para verificar a consistência térmica. Isto permite aos fabricantes determinar se as condições reais de impressão (por exemplo, potência do laser, tempo de exposição ou taxas de arrefecimento) correspondem aos parâmetros planeados. Este controlo adicional é uma contribuição valiosa para a minimização do risco, especialmente em indústrias críticas para a segurança, como a aeroespacial e a tecnologia médica.
A DSC também fornece informações valiosas sobre a reciclagem de materiais em pó. Os processos de fabrico aditivo, como a sinterização a laser, permitem geralmente a utilização múltipla de pó não sinterizado. No entanto, cada reutilização altera as propriedades térmicas do material – por exemplo, através do envelhecimento, danos térmicos ou perda de aditivos. A DSC pode registar objetivamente essas alterações e indicar quando um material perde a sua capacidade de utilização. Rüppel et al. (2022), por exemplo, documentaram uma mudança na gama de cristalização do PA12 após vários ciclos de reciclagem, o que teve um impacto direto na estabilidade dimensional e na densidade dos componentes.
Além disso, a DSC é utilizada na qualificação de novos materiais ou misturas de materiais. Em projectos de inovação industrial onde estão a ser testados novos tipos de pós, aditivos ou misturas de polímeros, a análise térmica é uma ferramenta indispensável para avaliar a processabilidade. As empresas utilizam-na, por exemplo, para verificar se os componentes da mistura são termicamente compatíveis ou se a distribuição homogénea no processo é realisticamente alcançável. As reacções induzidas termicamente, tais como as pré-relações indesejadas, também podem ser rapidamente identificadas e quantificadas utilizando a DSC.
Um aspeto que não deve ser subestimado é a rastreabilidade e a documentação: Em muitas indústrias regulamentadas, existe uma procura crescente para que a garantia de qualidade não só tenha lugar, mas também seja sistematicamente documentada e validada. A avaliação dos dados DSC pode ser integrada em relatórios de testes digitais e sistemas de garantia de qualidade. Isto facilita as auditorias, a rastreabilidade e a melhoria contínua do processo.
De um modo geral, é evidente que a implementação do DSC na prática industrial não é uma abordagem puramente académica, mas sim um investimento económica e qualitativamente válido. Oferece às empresas um nível adicional de controlo que ajuda a limitar as fontes de erro, a aumentar a fiabilidade do processo e a garantir a qualidade do produto a longo prazo. A implementação industrial das medições DSC assume normalmente a forma de protocolos de teste padronizados. A DSC é particularmente útil em inspecções de entrada de mercadorias, na qualificação de novos lotes de materiais e na validação de parâmetros de processo. Na prática, isto significa que uma medição DSC não só fornece informações sobre a adequação de um pó, mas também sobre se este pode ser processado de forma fiável na estratégia de impressão planeada.
A DSC também desempenha um papel importante na investigação sobre a reciclagem de materiais. Por exemplo, está a ser realizada uma investigação sobre o PA12 para determinar como o grau de cristalinidade se altera com a reutilização repetida e se isso leva a uma alteração das propriedades mecânicas dos componentes (Rüppel et al., 2022). Esta informação ajuda as empresas a tomar decisões informadas sobre a utilização de materiais e a evitar perdas de qualidade nos materiais reutilizados.
Conclusão e síntese
Os exemplos aqui apresentados demonstram de forma impressionante que a Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) é uma ferramenta versátil para a garantia de qualidade e controlo de processos no fabrico de aditivos. Particularmente no desenvolvimento e teste de protótipos funcionais, permite a identificação precoce de potenciais fontes de erro – seja na seleção de materiais, no próprio processo de impressão ou no pós-tratamento.
A capacidade do DSC para fornecer informações precisas sobre o comportamento de fusão, cristalinidade e estabilidade térmica abre uma vasta gama de aplicações: desde a inspeção de entrada de mercadorias e otimização de processos até ao desenvolvimento de materiais. As empresas que utilizam sistematicamente a análise térmica beneficiam de uma melhor reprodutibilidade, de uma maior eficiência dos materiais e de taxas de refugo reduzidas. Em indústrias regulamentadas com elevados requisitos de rastreabilidade – como a tecnologia médica ou a aviação – a DSC também fornece provas documentáveis da qualidade térmica dos materiais utilizados.
Ao mesmo tempo, o método também oferece um grande potencial na investigação: projectos interdisciplinares, como o desenvolvimento de novas misturas de polímeros ou a investigação de estratégias alternativas de reciclagem, beneficiam de uma caraterização térmica precisa. A DSC também está a ganhar importância no contexto da economia circular, uma vez que ajuda a avaliar objetivamente a reutilização de pós.
Uma perspetiva promissora reside na automatização e digitalização da avaliação de dados. Algoritmos de avaliação modernos baseados em aprendizagem automática, por exemplo – podem reconhecer padrões em dados de medição térmica, prever anomalias ou ajustar automaticamente os parâmetros do processo. Isto pode permitir que o DSC seja integrado ainda mais estreitamente na cadeia de processos industriais no futuro – possivelmente até como parte de gémeos digitais ou sistemas de garantia de qualidade preditiva.
De um modo geral, qualquer pessoa que pretenda utilizar o fabrico aditivo não só para otimização da geometria, mas também para integração funcional e fiabilidade do processo, considerará quase impossível fazê-lo sem uma análise térmica precisa. A DSC é um processo chave neste aspeto – pequeno em termos de equipamento, mas grande em termos da sua influência na qualidade, inovação e relação custo-eficácia.
Literatura selecionada para leitura adicional
- Gao, J., Zhang, H., Liu, S., et al. (2023).
Comportamento térmico e microestrutura da liga Fe-Si fabricada por fusão selectiva a laser. Materials Characterization, 194, 112520.
https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112520 - Menczel, J. D., & Prime, R. B. (Eds.). (2009).
Análise Térmica de Polímeros: Fundamentos e Aplicações. John Wiley & Sons.
https://doi.org/10.1002/9780470423837 - Rüppel, A., Dobner, K., Schild, A., et al. (2022).
Influência da reutilização repetida nas propriedades térmicas e físicas do pó PA12 para sinterização a laser. Polymers, 14(15), 3120.
https://doi.org/10.3390/polym14153120 - Schwienheer, C., Bente, K., Buhl, J., et al. (2023).
Estratégias de tratamento térmico para componentes de alumínio híbrido fundidos por aditivos: Influência na microestrutura e nas propriedades mecânicas. Materials & Design, 230, 111946.
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111946
