Wikipédia

Deposição de metal a laser

A deposição de metal a laser (LMD) é um processo de fabricação aditiva no qual uma matéria-prima (normalmente um pó) é derretida com um laser e então depositada em um substrato.[1] Uma variedade de metais puros e ligas podem ser usadas como matéria-prima, bem como materiais compósitos, como compósitos com matriz metálica.[2][3] Fontes de laser com uma ampla variedade de intensidades, comprimentos de onda e configurações ópticas podem ser usadas. Embora o LMD seja tipicamente um processo baseado em fusão, isso não é um requisito, conforme discutido abaixo. Os processos baseados em fusão normalmente têm uma vantagem de resistência, devido à obtenção de uma fusão metalúrgica completa.

Fonte de laser editar

Tal como acontece com a fusão seletiva do laser, a potência do laser não precisa ser especialmente alta, desde que a energia do laser esteja suficientemente concentrada. A taxa alcançável de adição de material depende da quantidade de potência do laser aplicada e do calor de fusão da matéria-prima e dos materiais do substrato. Como diferentes materiais absorvem diferentes comprimentos de onda de luz, é importante que o comprimento de onda da fonte do laser corresponda adequadamente ao espectro de absorção do material, para garantir que a quantidade de energia absorvida pelo material seja maximizada. Por exemplo, o uso de LMD para depositar aço é realizado de forma eficiente usando fontes de laser IR, enquanto para ligas à base de cobre os lasers verdes têm melhor absorção.[4]

Tipos editar

Existem vários processos LMD diferentes, com a matéria-prima e a energia do laser sendo entregues de diferentes maneiras e em locais diferentes.

Pó pré-colocado editar

A técnica mais simples de LMD envolve pós pré-colocados. Uma matéria-prima em pó é colocada na superfície ou substrato, e um laser focado é então escaneado ou rasterizado sobre ela, fazendo com que a matéria-prima derreta e se funda com o substrato. Normalmente, um gás de proteção inerte é usado para reduzir a oxidação ao redor da zona fundida. Este processo é semelhante à fusão seletiva a laser, que envolve um processo sistemático, camada por camada, de construção de um objeto por fusão seletiva a laser dentro de um leito de pó.

Convencional editar

No LMD convencional alimentado com pó, é utilizado um bocal ou bocais de pó, juntamente com uma fonte de laser focada. O laser é focado no substrato para formar uma poça de fusão. Simultaneamente, o pó é pulverizado para fora do bocal como uma pluma de jato de pó, direcionando o material para a poça de fusão, onde ele derrete. À medida que a fonte do laser se afasta, a poça de fusão segue, com o material no local anterior solidificando. Este processo é normalmente obtido usando um cabeçote de revestimento de laser, que integra os bicos de pó e a óptica do laser em um conjunto, com ambos focados em um único local alvo. O tamanho e a área da poça de fusão e da pluma de pó podem variar amplamente e podem assumir configurações pontuais ou em linha, dependendo da aplicação alvo. Quanto ao LMD colocado em pó, um gás de proteção é normalmente usado para minimizar a oxidação. O gás de arraste usado para fornecer o pó também é normalmente um gás de proteção. O processo LMD pode ser usado de várias maneiras, como digitalizando uma superfície ampla para construir um revestimento fino (<1 mm) (normalmente chamado de revestimento a laser[5][6]) ou rasterizando uma área específica como um processo de fabricação aditiva para construir objetos em 3D camada por camada (às vezes chamado de deposição de energia direcionada).

Alta velocidade editar

O LMD de alta velocidade (também conhecido como EHLA[7]) difere do LMD convencional no ponto focal do laser e na velocidade do processo de revestimento. Para LMD de alta velocidade, o ponto focal está localizado acima do substrato.[8][9] À medida que o pó é pulverizado através do ponto focal, a maior parte da energia do laser é absorvida pelo pó, onde derrete durante o voo. Isto resulta no impacto da matéria-prima em pó fundido no substrato, onde o calor é transferido do pó para o substrato. Isso normalmente resulta em uma porção menor de energia térmica sendo transferida para o substrato e, como resultado, o LMD de alta velocidade produz um depósito de cordão de solda mais fino (normalmente <0.5 mm por passe[10]) com menor diluição e um cordão de solda mais fino afetado pelo calor. zona em comparação com o LMD convencional.[11] A velocidade de deposição (a velocidade do local do fundido na superfície do substrato) é normalmente pelo menos 10 vezes maior que a velocidade do LMD convencional, e a taxa de solidificação do material também é mais rápida.[4] O efeito típico dessas diferenças, em comparação com o LMD convencional, é um depósito com acabamento superficial mais liso, microestrutura de grão mais fino,[12] melhor resistência à corrosão,[13] e maior dureza.[14] Tanto os revestimentos 2D quanto a fabricação aditiva 3D também são possíveis usando LMD de alta velocidade.[15]

Alimentação de arame editar

Semelhante aos processos de soldagem, o LMD pode ser realizado utilizando um fio metálico como matéria-prima.[1][2] Isto pode ser uma vantagem, pois evita o custo e o esforço necessários para produzir uma matéria-prima em pó.

Supersônico editar

O LMD supersônico é diferente dos outros processos LMD porque o laser não é usado para derreter materiais. Em vez disso, este é principalmente um processo de pulverização a frio modificado, que é um tipo de processo de deposição em estado sólido envolvendo a deposição por meio de uma nuvem de pó de jato supersônico. No LMD Supersônico um laser é utilizado para pré-aquecer o substrato e o fluxo de pó, a fim de amolecer esses materiais.[16] Ao evitar a fusão e ao operar a uma temperatura mais baixa, isto reduz a possibilidade de ocorrer oxidação da matéria-prima e dos materiais do substrato.[17]

Limitações geométricas editar

Como vários processos de impressão, o LMD apresenta algumas limitações geométricas. Tais como, quando a cabeça do laser não apresenta rotação e está perpendicular à base os resultados aceitáveis para paredes inclinadas apenas ocorrem no intervalo de 90 graus a 60. Contudo caso seja necessário atingir resultados com melhor qualidade e obter inclinações até 30 graus, a melhor configuração é colocar a cabeça do laser paralelo à parede e perpendicular à base. Ângulos inferiores a 30º ainda não são possíveis de se obter.​[18]

Propriedades de tração e fadiga (Ti-6AI-4V) editar

Estas propriedades dependem fortemente da microestrutura desenvolvida durante o processo de fabrico. Defeitos como poros ou fissuras estão frequentemente presentes nas peças de LMD, resultando em níveis inferiores de mecânicos, nomeadamente níveis mais baixos de resistência à fadiga. Os poros e fissuras são geralmente cicloidais ou elípticos com diâmetros na diâmetros na gama de 1 e10 mm e uma parede interna muito lisa. Estes são criados quando existem impurezas nas partículas de pó ou quando o gás presente no espaço oco entre as partículas não tem tempo suficiente para escapar durante o processo de solidificação.​[19]

Propriedades mecânicas vs custo editar

A Deposição de metal a laser (LMD), alimentado na forma de pó ou a fio, é uma das técnicas mais promissoras manufatura aditiva (MA), capazes de produzir componentes com formato quase final, com boas propriedades mecânicas e acabamento superficial aceitável. As caraterísticas mecânicas do LDM pó são significativamente superiores as do LDM de fio, os custos de implementação são mais elevados para o LDM pó em relação ao LDM de fio.​[20]

Precisão dimensional editar

Assim como grande maioria de métodos de fabrico aditivo, a precisão dimensional do LMD é muito inferior à precisão obtida com maquinação CNC. No entanto, é possível obter resultados superiores quando ambas as tecnologias são usadas intervaladamente.​[21]

Ver também editar

Referências

  1. ↑ a b Herzog, Dirk; Seyda, Vanessa; Wycisk, Eric; Emmelmann, Claus (setembro de 2016). «Additive manufacturing of metals». Acta Materialia. 117: 371–392. Bibcode:2016AcMat.117..371H. doi:10.1016/j.actamat.2016.07.019. Consultado em 1 de outubro de 2023 
  2. ↑ a b DebRoy, T.; Wei, H.L.; Zuback, J.S.; Mukherjee, T.; Elmer, J.W.; Milewski, J.O.; Beese, A.M.; Wilson-Heid, A.; De, A. (março de 2018). «Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties». Progress in Materials Science. 92: 112–224. doi:10.1016/j.pmatsci.2017.10.001  
  3. ↑ Gu, D D; Meiners, W; Wissenbach, K; Poprawe, R (maio de 2012). «Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms». International Materials Reviews. 57 (3): 133–164. Bibcode:2012IMRv...57..133G. doi:10.1179/1743280411Y.0000000014. Consultado em 1 de outubro de 2023 
  4. ↑ a b «EHLA | Hornet Laser Cladding». www.hornetlasercladding.com. Consultado em 1 de outubro de 2023 
  5. ↑ Zhong, M; Liu, W (1 de maio de 2010). «Laser surface cladding: The state of the art and challenges». Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 224 (5): 1041–1060. doi:10.1243/09544062JMES1782. Consultado em 1 de outubro de 2023 
  6. ↑ Zhu, Lida; Xue, Pengsheng; Lan, Qing; Meng, Guiru; Ren, Yuan; Yang, Zhichao; Xu, Peihua; Liu, Zhe (junho de 2021). «Recent research and development status of laser cladding: A review». Optics & Laser Technology. 138. 106915 páginas. Bibcode:2021OptLT.13806915Z. doi:10.1016/j.optlastec.2021.106915 
  7. ↑ «What is Extreme High Speed Laser Application (EHLA)?». www.twi-global.com. The Welding Institute. Consultado em 1 de outubro de 2023 
  8. ↑ Schopphoven, Thomas; Gasser, Andres; Backes, Gerhard (setembro de 2017). «EHLA: Extreme High-Speed Laser Material Deposition: Economical and effective protection against corrosion and wear». Laser Technik Journal. 14 (4): 26–29. doi:10.1002/latj.201700020  
  9. ↑ Schaible, Jonathan; Sayk, Lennart; Schopphoven, Thomas; Schleifenbaum, Johannes Henrich; Häfner, Constantin (1 de fevereiro de 2021). «Development of a high-speed laser material deposition process for additive manufacturing». Journal of Laser Applications. 33 (1): 012021. Bibcode:2021JLasA..33a2021S. doi:10.2351/7.0000320 
  10. ↑ Schopphoven, Thomas; Gasser, Andres; Wissenbach, Konrad; Poprawe, Reinhart (1 de maio de 2016). «Investigations on ultra-high-speed laser material deposition as alternative for hard chrome plating and thermal spraying». Journal of Laser Applications. 28 (2): 022501. Bibcode:2016JLasA..28b2501S. doi:10.2351/1.4943910 
  11. ↑ Li, Tianci; Zhang, Lele; Bultel, Gregor Gilles Pierre; Schopphoven, Thomas; Gasser, Andres; Schleifenbaum, Johannes Henrich; Poprawe, Reinhart (21 de novembro de 2019). «Extreme High-Speed Laser Material Deposition (EHLA) of AISI 4340 Steel». Coatings. 9 (12). 778 páginas. doi:10.3390/coatings9120778  
  12. ↑ Li, Liqun; Shen, Faming; Zhou, Yuandong; Tao, Wang (1 de novembro de 2019). «Comparative study of stainless steel AISI 431 coatings prepared by extreme-high-speed and conventional laser cladding». Journal of Laser Applications. 31 (4): 042009. Bibcode:2019JLasA..31d2009L. doi:10.2351/1.5094378. Consultado em 1 de outubro de 2023 
  13. ↑ Shen, Faming; Tao, Wang; Li, Liqun; Zhou, Yuandong; Wang, Wei; Wang, Shuliang (1 de julho de 2020). «Effect of microstructure on the corrosion resistance of coatings by extreme high speed laser cladding». Applied Surface Science. 517. 146085 páginas. Bibcode:2020ApSS..51746085S. ISSN 0169-4332. doi:10.1016/j.apsusc.2020.146085 
  14. ↑ Yuan, Wuyan; Li, Ruifeng; Chen, Zhaohui; Gu, Jiayang; Tian, Yingtao (15 de janeiro de 2021). «A comparative study on microstructure and properties of traditional laser cladding and high-speed laser cladding of Ni45 alloy coatings». Surface and Coatings Technology. 405. 126582 páginas. ISSN 0257-8972. doi:10.1016/j.surfcoat.2020.126582 
  15. ↑ «EHLA 3D: Conquering the Third Dimension - Fraunhofer ILT». Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT (em inglês). Consultado em 1 de outubro de 2023 
  16. ↑ Bray, Matthew; Cockburn, Andrew; O'Neill, William (25 de junho de 2009). «The Laser-assisted Cold Spray process and deposit characterisation». Surface and Coatings Technology. 203 (19): 2851–2857. ISSN 0257-8972. doi:10.1016/j.surfcoat.2009.02.135. Consultado em 1 de outubro de 2023 
  17. ↑ William, O'Neill. «SprayLaze - Supersonic Laser Deposition». www.ifm.eng.cam.ac.uk. Institute for Manufacturing. Consultado em 1 de outubro de 2023 
  18. ↑ Study of the Geometrical Limitations Associated to the Metallic Part Manufacturing by the LMD Process. [S.l.: s.n.] 2018 
  19. ↑ Additive manufacturing of Ti–6Al–4V parts through laser metal deposition (LMD): Process, microstructure, and mechanical properties. Journal of Alloys and Compounds: [s.n.] 2019 
  20. ↑ Effects of direct metal deposition combined with intermediate and final milling on part distortion. [S.l.: s.n.] 2018 
  21. ↑ Study of Laser Metal Deposition (LMD) as a Manufacturing Technique in Automotive Industry. [S.l.: s.n.] 2020 
Obtida de "https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Deposição_de_metal_a_laser&oldid=67141028"