Análise da qualidade da camada de pó espalhada em um equipamento de fusão seletiva a laser

Abstract

A manufatura aditiva tem chamado atenção em uma gama de aplicações devido a sua habilidade de rapidamente construir formas complexas, adicionando camada sobre camada de material, a partir de um modelo geométrico tridimensional definido através de um CAD. Um dos métodos de manufatura aditiva mais empregado é o que se baseia na fusão de um leito de pó no qual uma fina camada de material particulado recebe a energia de um feixe de laser (ou de elétrons), que ao se deslocar sobre o leito, promove a sinterização ou fusão do material. Para a obtenção de peças livres de defeitos, a literatura especializada indica que esta dependerá da forma construtiva do equipamento de manufatura aditiva, da composição da matéria-prima e dos parâmetros de operação utilizados durante o processo de fabricação. Entre os diversos trabalhos que procuraram investigar este processo de manufatura aditiva predominam os que avaliam a influência dos parâmetros de operação e da morfologia das partículas de pó (formato, tamanho e distribuição) sobre a qualidade das peças fabricadas, em especial suas propriedades mecânicas e dimensionais. Apesar da literatura especializada apontar a composição da matéria-prima como fator imprescindível para a obtenção de uma camada densa e homogênea, há outras variáveis responsáveis pela qualidade da camada que é distribuída na plataforma de construção do equipamento que foram pouco investigadas. Nesse sentido, foi desenvolvido um programa dentro do software Matlab para medir a influência de parâmetros de operação responsáveis pela formação das camadas de pó espalhadas na plataforma de construção de um equipamento de fusão em leito de pó. Foi investigada a influência da variação de três parâmetros na qualidade da camada de pó, são eles velocidade da lâmina do espalhador; volume de pó inicial à frente do espalhador e a espessura da camada. Utilizando um sistema de espalhamento de pó de um equipamento protótipo desenvolvido em laboratório, quatro amostras de pós de ferro de diferentes granulometrias (amostras A, B, C e D) foram empregadas para a confecção de camadas que foram espalhadas e fotografadas. As imagens foram processadas pela programação feita dentro do software Matlab® desenvolvida para comparar valores de densidade de grãos nas camadas e a homogeneidade das camadas por meio da distância focal dos grãos de pó. Os resultados mostraram que a amostra A (pó de ferro obtido por eletrólise) apresentou comportamento diferente das demais além do evidenciando que pelos métodos utilizados, é possível afirmar que a velocidade de espalhamento do pó tem um efeito significativo sobre a homogeneidade da camada, embora o mesmo não possa ser afirmado para os outros parâmetros.

Abstract: Additive manufacturing has attracted attention in a range of applications due to its ability to quickly build complex shapes, adding layer upon layer of material, from a three-dimensional geometric model defined through a CAD. One of the most used additive manufacturing methods is based on the fusion of a bed of powder where a thin layer of particulate material receives energy of a laser beam (or electron beam), when moving over the bed, promotes sintering or melting of the material. To obtain defect-free parts, the specialized literature indicates that it depends on the constructive form of the additive manufacturing equipment, the composition of the raw material and the operating parameters used during the manufacturing process. Among the various studies that sought to investigate this additive manufacturing process, those that evaluate the influence of operating parameters and powder morphology (shape, size and distribution) on the quality of the manufactured parts, especially their mechanical and dimensional properties. Although the specialized literature points to composition of the raw material as a key factor to obtain layers with more density and homogeneity, there are other variables responsible for the layer quality distributed on the building plate. This way, a program was developed within the Matlab software to measure the influence of set-up parameters on the layer spreading in a powder bed fusion equipment. The influence of three parameters variation on the quality of the powder bed layer was investigated, three parameters were investigated: Blade speed; initial powder volume in front of the spreader and the layer thickness. Using a powder scattering system from a prototype equipment developed in laboratory, four samples of Fe powders with different particle sizes (samples A, B, C and D) were used to build layers that were scattered and photographed. The images were processed by the programming made within the Matlab software, developed to compare values of grain density per pixel on the images and also the layers homogeneity through the focal distance between powder grains. The results showed that the sample A (iron powder obtained by electrolysis) presented a behavior clearly different from the others, besides confirming that the speed of the powder spreading has a significant effect on the layer homogeneity, although the same cannot be said for the other parameters.