A formação do raio laser melhora a qualidade e a produção da fusão em leito de pó a laser no fabrico aditivo

O ritmo da inovação no fabrico aditivo aumenta constantemente. A utilização da tecnologia laser de vanguarda faz parte desta tendência desde há anos. Como pioneiro no fabrico, o laser em modo de anel ganhou reputação em tudo o que está relacionado com a soldadura. Mas é necessário ainda mais para o processo LBPF (Laser Powder Bed Fusion) na impressão 3D. Neste âmbito, um novo laser que pode alternar de forma flexível entre o modo simples e o modo de anel oferece uma gama de qualidades de feixe do estreito ao largo. E recentemente juntou-se-lhe um novo parceiro no campo do processamento de materiais a laser no fabrico aditivo. A forma como estes dois lasers trabalham juntos é tão única e revela tanto potencial que os resultados estão a causar uma certa sensação no fabrico aditivo.

A professora Wudy da TUM/LMA com uma peça produzida através de fabrico aditivo. A inovadora combinação de um laser de fibra e uma unidade de deflexão aumenta a produtividade, ao mesmo tempo que melhora a microestrutura dos componentes metálicos e aumenta a resistência à tração e a deformação final.

Katrin Wudy, especialista e professora de fabrico aditivo baseado em laser na cátedra de Fabrico Aditivo Baseado em Laser (LBAM) da Universidade Técnica de Munique (TUM), está a estudar atualmente a combinação única do laser de fibra AFX-1000 da nLIGHT e a unidade de deflexão ótica AM Module Next GEN da Raylase. A investigação da mesma centra-se na influência do perfil do feixe na formação de microestruturas. “Cortamos as peças que este processo produz, antes de examinar a estrutura do grão nas microsecções ao microscópio”, diz Wudy. “Devido à alteração das geometrias das faixas de fusão quando são utilizados perfis de feixe alternativos, também se modifica a regulação da temperatura. Nos primeiros resultados da microscopia observamos diferentes tamanhos e texturas do grão. No entanto, o tamanho e a textura do grão são essenciais para o comportamento dos componentes, nomeadamente, para a sua resistência à tração ou para a sua deformação final. Portanto, se pudermos controlar estrategicamente o crescimento do grão, selecionando parâmetros de processo e perfis de feixe específicos, as propriedades dos componentes resultantes podem ser ajustadas com precisão. Por exemplo, podemos fazer com que determinadas partes de um componente sejam especialmente rígidas ou flexíveis sem necessidade de um pós-processamento adicional. Também se podem variar as propriedades dentro de um mesmo componente, utilizando sofisticadas estratégias de exposição”, explica Wudy, salientando as enormes vantagens proporcionadas pela conformação do feixe laser baseada num laser de fibra e numa unidade de deflexão.

“A Universidade Técnica de Munique, a Optoprim - distribuidor alemão do fabricante americano de lasers nLight - e a Raylase uniram forças para superar as limitações críticas do processo das aplicações de LPBF a laser, como a falta de homogeneidade no banho de fusão e a redução da velocidade de produção”, afirma Wolfgang Lehmann, Diretor de Produto da Raylase, destacando as vantagens desta colaboração. Com os processos convencionais de AM que utilizam um laser monomodo, pode ocorrer uma série de defeitos, como a formação de orifícios devido ao sobreaquecimento, uma profundidade inadequada da faixa de fusão, uma zona de denudação de pó (zona sem pó) em torno da potência de fusão solidificada ou a formação de esferas no banho de fusão. Estes problemas são coisa do passado com a combinação de produtos que compreende o laser de fibra AFX-1000 programável da nLIGHT e a unidade de desvio AM Module Next GEN com eixo de zoom da Raylase.

As variantes são muitas. Embora o laser de fibra programável já tenha muito para oferecer, as possibilidades duplicam quando se utiliza em combinação com a lente de zoom da unidade de desvio. Como explica Wolfgang Lehmann: "Podemos posicionar as faixas de laser com um grau de precisão muito elevado em função do tamanho do campo de processamento, com uma precisão de menos de 5 µm. A largura ideal das faixas de fusão depende em grande medida do tamanho do grão das partículas de pó. Normalmente, está entre 15 µm e 100 µm. O que significa que o tamanho do ponto deve ser adaptado em conformidade. Com o AM Module Next GEN, o diâmetro do ponto pode ser ajustado de forma infinita e ser duplicado dinamicamente durante o processo. Com os seus espelhos de desvio altamente dinâmicos, a unidade de desvio é capaz de desviar feixes em torno de cantos a velocidades muito altas. Para o processo de eclosão, a unidade de desvio disponibiliza um colimador de fibra integrado, um sistema de eixo de zoom concebido de forma inteligente para a configuração dinâmica do tamanho do ponto e inúmeras opções de supervisão do processo para o controlo de qualidade. Isto garante tamanhos de ponto e densidades de potência consistentes em cada ponto do campo de processo.

Além de melhorar em grande medida a cadeia de valor do AM para a fusão de metais através de leito de pó a laser, estes produtos inovadores também ampliam os limites da produção em série tal como a conhecemos. Em última análise, o objetivo final do fabrico aditivo é organizar o processo de construção de um componente da forma mais eficiente possível em termos de tempo e mantendo os mais altos padrões de qualidade.