A impressão 3D de metais enfrenta um desafio conhecido: aumentar a velocidade sem comprometer a resolução.
Uma equipa do Rochester Institute of Technology (RIT) está a explorar uma solução diferente: em vez de utilizar uma única cabeça de impressão metálica, utilizar oito bicos em simultâneo.
O sistema foi desenvolvido para o processo conhecido como Molten Metal Jetting (MMJ) e pode aumentar significativamente o débito de material sem aumentar proporcionalmente o tamanho das gotas.
O que é Molten Metal Jetting?
Ao contrário da fusão em leito de pó com laser, o Molten Metal Jetting não utiliza um laser para fundir o material diretamente sobre a peça.
O processo mantém o metal em estado líquido e ejecta pequenas gotas através de um nozzle.
Cada gota é depositada no local pretendido, solidifica e contribui para a construção do componente.
O conceito aproxima-se, em alguns aspetos, do funcionamento de uma impressora de jato de tinta, mas utilizando metal fundido.
O problema de utilizar apenas um nozzle
O método permite obter detalhes bastante finos, mas existe uma limitação.
Uma única cabeça só consegue ejectar uma determinada quantidade de gotas por segundo.
Aumentar a quantidade de material por gota poderia aumentar a velocidade, mas também prejudicar a resolução.
A equipa do RIT decidiu atacar o problema de outra forma:
utilizar vários bicos em paralelo.
Oito bicos numa única cabeça
A nova cabeça desenvolvida pelo RIT possui oito bicos, dispostos com uma separação de três milímetros.
O desafio não é simplesmente colocar oito nozzles lado a lado.
Cada canal de fluido tem de trabalhar de forma extremamente consistente.
Diferenças na velocidade das gotas poderiam provocar irregularidades na impressão.
O problema da velocidade das gotas
Segundo os dados apresentados pela equipa, as simulações mostraram que o comprimento dos canais influencia a velocidade das gotas.
Para compensar essas diferenças, os investigadores utilizaram curvas de acionamento individuais para os diferentes bicos.
O resultado foi uma redução significativa da variação da velocidade entre os nozzles, de 0,074 para 0,0079 m/s.
Este controlo individual é fundamental para que os oito bicos funcionem como um único sistema.
Até 194 cm³ por hora
O sistema atingiu uma taxa máxima de deposição anunciada de aproximadamente 194 cm³/h.
Num componente considerado representativo, os investigadores estimaram uma redução de 79% no tempo de impressão relativamente a uma configuração de nozzle único.
Estes números são particularmente relevantes porque a grande vantagem do sistema não vem necessariamente de tornar cada nozzle individual mais rápido.
Vem de utilizar vários simultaneamente.
A resolução pode ser mantida
Uma das características mais interessantes é que o sistema procura aumentar a largura efetiva de deposição sem aumentar o tamanho das gotas.
Na prática, é possível colocar mais material em cada passagem mantendo uma dimensão de gota semelhante.
Isso permite aumentar o débito sem sacrificar a resolução da mesma forma que aconteceria ao utilizar gotas maiores.
Uma alternativa a colocar mais lasers
Na impressão 3D de metais baseada em fusão por laser, aumentar a produtividade pode significar adicionar mais lasers e mais componentes óticos.
Isso pode aumentar a complexidade e o custo do equipamento.
O conceito desenvolvido pelo RIT procura uma alternativa: aumentar o número de pontos de deposição dentro da própria cabeça de impressão.
É uma abordagem diferente ao problema do throughput.
Não é uma tecnologia pronta para produção
Apesar dos números serem promissores, é importante não interpretar o resultado como uma impressora 3D comercial já disponível.
O trabalho encontra-se ainda numa fase experimental.
Os próprios resultados foram apresentados como resultados preliminares e existem desafios técnicos relacionados com gestão térmica, canais de fluido, controlo dos bicos e escalabilidade.
Poderá ter mais de oito bicos?
Essa é uma das questões mais interessantes.
Se o princípio funcionar com oito bicos, poderá ser possível investigar cabeças com ainda mais elementos.
No entanto, à medida que o número aumenta, também aumentam os desafios de:
- controlo térmico;
- uniformidade das gotas;
- alimentação;
- eletrónica;
- sincronização;
- manutenção.
A escalabilidade será, por isso, um dos principais desafios das próximas fases.
Porque esta investigação é importante?
A impressão 3D metálica é muito útil para peças técnicas, mas o custo e a velocidade continuam a limitar algumas aplicações.
Se uma tecnologia conseguir aumentar substancialmente o débito mantendo a resolução, poderá tornar determinados processos mais competitivos.
Isso é particularmente relevante para produção de séries pequenas e médias de componentes metálicos.
O futuro pode passar por cabeças de impressão mais largas
O desenvolvimento do RIT aponta para uma ideia simples:
em vez de tornar um nozzle infinitamente mais rápido, pode ser mais eficiente utilizar vários nozzles em conjunto.
É uma filosofia que já funciona em muitas outras tecnologias de impressão.
Levada para o metal, pode representar uma nova forma de aumentar a produtividade da impressão 3D.
A cabeça de oito bicos do RIT ainda está longe de ser uma solução comercial generalizada, mas os resultados apresentados são interessantes.
Uma redução de 79% no tempo de impressão de um componente de referência mostra o potencial da abordagem.
Se os investigadores conseguirem manter a uniformidade das gotas e escalar o sistema para mais bicos, o Molten Metal Jetting poderá tornar-se uma tecnologia ainda mais competitiva na impressão 3D de metais.
