Aplicações AM explodem com impressão multimaterial

May 24, 2023

A manufatura aditiva (AM) cria uma infinidade de oportunidades em todos os setores, graças às melhorias contínuas em máquinas, métodos e materiais. E, como acontece com os projetos multimateriais construídos por meio de processos de fabricação convencionais, o pequeno mas crescente campo da impressão 3D multimaterial está liberando ainda mais o poder da AM.

Os sistemas multimateriais permitem variações como construções de gradiente funcional, compósitos, novas ligas e novas formas de fabricar componentes elétricos e eletrônicos. O método é usado para fabricar dispositivos tão diversos quanto implantes articulares, garras robóticas de ponta de braço e placas de circuito.

Também pode revelar o cientista nos praticantes. "Com a impressão 3D multimaterial, e se eu depositar seletivamente um pouco do material A aqui e um pouco do material B ali?" postulou Greg Paulsen, diretor de engenharia de aplicações no mercado de fabricação digital Xometry Inc., North Bethesda, Md.

"Você pode criar o que chamamos de materiais digitais, que é onde você dopa um material rígido com um pouco de material semelhante à borracha para tornar esse material mais macio e flexível", disse Paulsen. "Ou você pode fazer o contrário, ter uma borracha realmente macia e torná-la um pouco mais firme adicionando um pouco de material rígido. E de repente, em uma única impressão ou execução, você pode criar um objeto que pode ter uma sobremoldagem simulada ou pode ter propriedades diferentes construídas na mesma impressão."

Há uma ressalva, no entanto. Devido à sua novidade, a maioria das aplicações multimateriais até o momento foram relegadas à pesquisa e à academia, observou Paulsen, caracterizando a prática como um "campo relativamente novo".

Ele não está sozinho. Aconity3D GmbH, Herzogenrath, Alemanha, que fabrica impressoras laser-powder-bed-fusion (LPBF) para metais, descreveu seus clientes multimateriais como "pioneiros a adotar" que são principalmente acadêmicos. Na verdade, a transferência de tecnologia da ideia para a realidade até agora tem sido mais um gotejamento do que uma torrente, pois a impressão multimaterial se estabelece como um processo industrial.

A impressão e o pós-processamento de dois materiais diferentes em AM requerem uma avaliação cuidadosa de suas propriedades. "Certamente não é ilimitado", disse Shawn Allan, vice-presidente da Lithoz America LLC, Troy, NY, que fabrica impressoras 3D de cerâmica baseadas em litografia.

Quando perguntado se dois materiais são compatíveis durante o processo de sinterização em alta temperatura e resfriamento subsequente, Allan pensou um pouco sobre a questão. "As coisas que devemos observar são: esses materiais se ligam uns aos outros? Porque alguns materiais, quando você os queima, não querem ficar muito bem conectados uns aos outros", disse ele. "Um dos maiores fatores que devemos observar são as incompatibilidades de expansão térmica."

Se a incompatibilidade entre os dois materiais for aguda, a tensão residual interna pode se acumular na peça à medida que ela é processada. De acordo com Allan, isso fará com que os materiais se delaminem ou "se quebrem energeticamente" - ou seja, explodir!

A dilatometria mede a expansão térmica e a contração na sinterização. Como resultado, disse Allan, os usuários podem avaliar como dois materiais se comportam por conta própria e identificar como eles se sobrepõem para "ter uma ideia se essa é potencialmente uma boa combinação para se juntar".

Além de combinar duas cerâmicas, a Lithoz está mexendo na adição de metais à cerâmica. "Então você tem a capacidade de colocar caminhos de condutividade através de materiais, onde normalmente isso pode ter que ser feito como duas coisas feitas separadamente ou serigrafia", disse Allan. "Mas podemos imprimir traços condutivos através de um isolador. Isso abre o design de componentes elétricos dessa maneira."

Aplicações práticas para impressão de metal dentro de uma cerâmica podem incluir reatores industriais para processos químicos e dispositivos para cauterização durante a cirurgia. No entanto, a cerâmica requer temperaturas muito mais altas durante a queima do que alguns metais podem suportar sem derreter.

"Se alguém quiser juntar uma cerâmica com alumínio, não vai funcionar... C", disse Allan. "E essas são geralmente algumas cerâmicas de vidro especiais projetadas para funcionar bem com metais."