Como os Pós Metálicos são Formados para Impressão 3D Industrial

O pó metálico é um dos componentes mais críticos na manufatura aditiva (AM) indústria, formando a base para peças metálicas produzidas em 3D. Na Conferência Mundial da Indústria de Tecnologia de Impressão 3D de 2013, especialistas definiram impressão 3D pó metálico como uma coleção de partículas metálicas com diâmetro inferior a 1 mm, incluindo metais puros, ligas metálicas e compostos refratários com propriedades metálicas.

Atualmente, os pós metálicos disponíveis para impressão 3D incluem ligas de cobalto-cromo, aço inoxidável, aços-ferramenta, ligas de bronze, ligas de titânio e ligas de níquel-alumínio. Para atender às rigorosas exigências dos processos de manufatura aditiva (AM), os pós metálicos devem apresentar:

• Tamanho Fino de Partícula

• Distribuição estreita do tamanho das partículas

• Alta esfericidade

• Excelente fluidez

• Alta densidade aparente e de massa

Métodos de Produção de Pós

Dependendo da aplicação pretendida e do processo de conformação posterior, são utilizadas diferentes técnicas de produção de pós. Estas podem ser divididas em duas grandes categorias:

• Métodos físico-químicos

• Métodos Mecânicos

Na indústria de metalurgia do pó, eletrolise , redução , e atomização são comuns, embora nem todos sejam adequados para a produção de pós de ligas. Na manufatura aditiva, o foco principal está em ligas de Titânio , superligas , cobalto-cromo , aços de alta resistência , e aços-ferramenta . Para atender aos padrões de desempenho, os pós devem manter:

• Baixo teor de oxigênio e nitrogênio

• Alta esfericidade

• Faixa estreita de tamanho de partícula

• Alta densidade aparente

Atualmente, os quatro métodos mais proeminentes para produzir pós metálicos esféricos para MF são:

1. Processo de Eletrodo Rotativo com Plasma (PREP)

2. Atomização com Plasma (PA)

3. Atomização a Gás (GA)

4. Esferoidização por Plasma (PS)

1. Processo de Eletrodo Rotativo a Plasma (PREP)

Princípio:
Barras metálicas (eletrodos) são giradas em altas velocidades enquanto a ponta é fundida por um arco de plasma. O material fundido é lançado pela força centrífuga, formando pequenas gotas que se solidificam em pó quase esférico em condições de gás inerte.

Principais Recursos:

• Produz pó limpo e altamente esférico

• Excelente fluidez e qualidade superficial

• Distribuição estreita do tamanho das partículas

Limitações:

• Menor rendimento de pós finos (<45 μm)

• Requisitos elevados de equipamento (velocidade de rotação, contenção)

• Custo mais elevado para pós finos

Aplicação:
Mais adequado para produzir pós de ligas esféricas, como titânio e ligas resistentes ao calor. Os tamanhos de partícula maiores são frequentemente usados em processos de conformação laser (LENS) ou deposição de energia direcionada (DED).

2. Atomização por Plasma (PA)

Princípio:
Um fio metálico é alimentado em uma zona de plasma de alta temperatura, onde é derretido ou vaporizado e fragmentado em microgotas pela energia cinética do plasma. Essas gotas esfriam e solidificam em finas partículas de pó enquanto descem através de uma câmara de gás inerte.

Principais Recursos:

• Alta produtividade de pó ultrafino (<45 μm)

• Partículas ocas mínimas ou aprisionamento de gás

• Excelente para ligas de alto ponto de fusão

Limitações:

• Requer alimentação de fio, limitando a flexibilidade da liga

• Custos de produção mais altos devido ao processamento do fio

• Presença de algum pó satélite (satellite powder)

Aplicação:
Ideal para aplicações de manufatura aditiva que exigem pós de alta pureza e grãos finos. Adequado para ligas de titânio utilizadas na fusão seletiva a laser (SLM) e na fusão por feixe de elétrons (EBM).

3. Atomização por Gás (GA)

Tipos:

• VIGA (Atomização por Gás com Indução a Vácuo)
  Utiliza um cadinho para fundir o metal em vácuo. O fluxo de metal líquido é fragmentado em gotículas por jatos de gás inerte de alta pressão.

• EIGA (Atomização por Gás Inerte com Fusão por Indução de Eletrodo)
  Funde um eletrodo metálico rotativo utilizando bobinas de indução, eliminando a necessidade de cadinho e reduzindo o risco de contaminação.

Principais Recursos:

• Alta Eficiência e Custo-Benefício

• Ampla compatibilidade com ligas (aço, níquel, cobalto, alumínio, cobre)

• Tamanho de partícula controlável

Limitações:

• Esfericidade inferior à obtida por métodos baseados em plasma

• Conteúdo mais elevado de partículas satélites e de partículas ocas

• O aprisionamento de ar torna-o menos adequado para EBM ou Prensagem Isostática a Quente (HIP)

Aplicação:
Amplamente utilizado para a produção de pós para processos SLM e DED. Melhorias contínuas, como atomização com gás ultrasônico e fluxo laminar, têm melhorado a qualidade do pó para AM.

4. Esferoidização por Plasma (PS)

Princípio:
Pós metálicos irregulares são alimentados em uma tocha de plasma de radiofrequência (RF). As partículas são aquecidas até próximo ou acima de seu ponto de fusão e, em seguida, resfriadas rapidamente, formando partículas esféricas sob a ação da tensão superficial.

Principais Recursos:

• Alta esfericidade e superfícies lisas

• Boa fluidez

• Adequado para metais refratários (tântalo, tungstênio, nióbio, molibdênio)

Limitações:

• Ciclos longos de aquecimento

• Teor elevado de oxigênio devido ao aumento da área superficial

• Perda de elementos de liga voláteis durante a fusão

Aplicação:
Utilizado principalmente para reaproveitar pós não esféricos transformando-os em esféricos. Também é valioso para recuperar pós usados ou reciclados.

Comparação dos métodos

Conclusão

Globalmente, as tecnologias de manufatura aditiva estão avançando rapidamente em materiais, equipamentos e aplicações. Embora o foco atual recaia frequentemente sobre o processo de impressão em si, o desenvolvimento upstream dos pós metálicos — particularmente o design de ligas, os equipamentos de produção e tecnologias de esferoidização de baixo custo — permanece uma área crítica, porém subdesenvolvida.

Para apoiar um ecossistema de MA robusto e independente, é necessário dedicar mais atenção à infraestrutura de produção de pós, à inovação de processos e à pesquisa de materiais. Desenvolver capacidades nessas áreas é essencial para impulsionar soluções de impressão 3D metálica de alto desempenho, economicamente viáveis e escaláveis.