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Conheça os principais métodos de pós-processamento e suas diferenças em processos de manufatura aditiva metálica

Após o processo de impressão 3D, geralmente as peças precisam passar por um processo de finalização de superfície. Entenda a diferença entre os principais métodos de acabamento para tomar uma decisão assertiva em seu projeto.

Conheça os principais métodos de pós-processamento e suas diferenças em processos de manufatura aditiva metálica

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*Artigo adaptado do original Influence of different surface finishing methods on additively manufactured 316L parts, de Korbinian Atzinger

O pós-processamento e, principalmente, o acabamento superficial ainda é um dos principais desafios da manufatura aditiva. A superfície tem alto impacto nas propriedades mecânicas como fadiga e funcionalidade da peça. Infelizmente, as peças raramente estão prontas para uso final quando finalizadas a impressão.

Conhecer cada método é fundamental para atingir a melhor qualidade possível em suas peças, economizar tempo e reduzir custos desnecessários.

Atualmente há uma grande variedade de opções de acabamento de superfície. Por isso, saber qual usar e quando aplicar pode abrir muitas novas oportunidades para peças feitas em manufatura aditiva.

Antes de considerar o uso de diferentes técnicas de acabamento, é preciso ter em mente a qualidade superficial desejada.

Em parceria, a Technische Universtität Bergakademie Freiberg e a EOS desenvolveram um projeto em que analisou-se a rugosidade da superfície para diferentes ângulos de construção após aplicar o acabamento da superfície – jateamento, tamboreamento e polimento eletrolítico por plasma (PeP).

Para isso, foram analisadas pequenas amostras e uma peça de aplicação real, todas impressas em uma EOS M290 com EOS StainlessSteel 316L.

Rugosidade de superfície na impressão 3D

Dependendo do ângulo de construção, é possível obter qualidades de superfície muito diferentes, algo que foi amplamente comprovado ao longo dos anos por meio de diferentes estudos e da experiência do usuário em manufatura aditiva.

No projeto desenvolvido, as peças feitas em Aço Inoxidável 316L mostraram que a rugosidade média (Ra) após a impressão pode ficar entre 5 e 45 µm. Na própria peça é possível observar uma diferença na rugosidade na parte superior (UpSkin) e inferior (DownSkin).

Esquerda: região superior – UpSkin / Direita: região inferior – DownSkin

As razões para as diferenças na qualidade da superfície são muitas. O principal fator de influência é o tipo de estratégia de exposição usada para cada área específica. 

Para certos ângulos mais baixos, os suportes são freqüentemente usados ​​para melhorar a transferência de calor e a capacidade de construção e, ainda, para evitar a deformação da peça. Os suportes precisam ser removidos e geralmente resultam em maior rugosidade da superfície devido ao resíduo da estrutura de suporte que permanece na peça. ALém disso, há também as partículas derretidas, que podem se projetar até 200-500 µm da superfície da peça, o que aumenta bastante a rugosidade da superfície.

Os resultados indicam que a qualidade geral da superfície da peça pode ser bastante heterogênea. No que diz respeito ao pós-processamento, a não homogeneidade da superfície pode levar a dificuldades durante o acabamento, pois uma superfície já “lisa”, como UpSkin, pode ser acabada mais rápido para o estado desejado em comparação com as superfícies mais ásperas, por exemplo, DownSkin e áreas de suporte .

Isso geralmente requer uma abordagem mais específica para o processo de acabamento da superfície ou uma combinação inteligente de diferentes métodos de acabamento.

O papel de cada processo de acabamento superficial em processos de manufatura aditiva

Jateamento – qualidade de superfície mais homogênea
Tamboreamento – cortar os picos da rugosidade
Polimento eletrolítico de plasma (PeP) – acabamento de superfície limpo e brilhante

Jateamento

O jateamento costuma ser uma das primeiras etapas do tratamento de superfície para peças manufatura aditiva. Normalmente, é usado para limpar partículas de pó residuais da superfície, para alisar a superfície ou para alterar a aparência da peça. De certa forma, a etapa de jateamento pode ser usada como uma etapa inicial para homogeneizar a superfície da peça, a fim de reduzir as diferenças de rugosidade entre as superfícies DownSkin e UpSkin.

Muitos agentes diferentes estão disponíveis para esse processo, eles diferem em forma, tamanho e material. Nesse estudo, os agentes de jateamento utilizados ​​foram: esferas de vidro, casca de noz, carboneto de silício e cerâmica.

Os resultados podem variar dependendo da mídia de jateamento usada e alguns têm um impacto maior na qualidade da superfície do que outros.

Além da casca de noz, todos os agentes de jateamento usados ​​reduzem a rugosidade UpSkin e SideSkin entre 30 e 65%. O efeito é mais significativo no DownSkin e nas áreas com suporte. Com a cerâmica, por exemplo, a rugosidade DownSkin foi reduzida em quase 80%, mesmo para ângulos com suportes.

Uma grande parte da rugosidade, especialmente nas áreas DownSkin, já pode ser reduzida usando o jateamento como etapa inicial de acabamento. Portanto, é um primeiro passo essencial para outros tratamentos de superfície também.

Tamboreamento

O processo é amplamente utilizado para o polimento de peças metálicas e pode atender a diversos fins, como rebarbação, esmerilhamento ou polimento. 

Com o tamboreamento, geralmente uma rugosidade de Ra <1 µm pode ser facilmente alcançada em superfícies voltadas para cima ou em superfícies retas, mas em áreas de DownSkin, o processamento pode levar algum tempo até que todo o DownSkin ou resíduos da estrutura de suporte sejam removidos.

O jateamento já retira alguns dos picos e cria uma superfície mais homogênea, portanto, menos material deve ser removido com o tamboreamento, economizando tempo e obtendo melhores resultados.

Polimento eletrolítico de plasma

Um terceiro processo de acabamento, polimento eletrolítico por plasma (PeP), também foi analisado. É um processo eletroquímico que remove material por meio de uma combinação de diferentes reações químicas dentro de uma camada de plasma que se forma na superfície da peça. Em comparação com o polimento eletroquímico convencional, este processo usa água e sais especiais como eletrólito em vez de ácidos.

O polimento a plasma gera superfícies muito brilhantes e limpas e, portanto, é perfeito como acabamento final.

Hélice com polimento eletrolítico por plasma (PeP)

Como antes, o polimento a plasma sozinho pode atingir um acabamento superficial muito bom, mas pode levar algum tempo para remover toda a rugosidade DownSkin por conta própria. Para acelerar o procedimento, o jateamento pode ser feito novamente como uma etapa inicial. Isso reduz o tempo de processo nessas regiões para apenas alguns minutos e atinge Ra <4 µm mesmo nas superfícies com suporte.

Se todas as três etapas forem combinadas, a rugosidade da superfície, mesmo em áreas DownSkin, pode ser reduzida a Ra <1 µm.

Acabamento em peças complexas

Como os resultados mencionados anteriormente podem variar dependendo da geometria, essas técnicas também foram aplicadas em uma peça mais complexa. Para isso, uma pequena hélice, como pode ser encontrada em aplicações industriais, marítimas ou de óleo e gás, foi impressa com Inox 316L em uma EOS M290. O requisito para o acabamento da superfície desta peça é uma rugosidade superficial geral de Ra <3,2 µm.

No estudo da hélice, com a junção dos três processos, obteve-se um acabamento superficial geral de Ra = 1 – 3 µm em ambas as superfícies UpSkin e DownSkin após um tempo total de processo de 4 horas.

Hélice com e sem acabamento superficial

Em resumo, uma peça impressa em 3D, a qualidade da superfície e a aparência mudam dependendo do ângulo de construção. Para obter o melhor resultado possível, é necessário entender a variação na qualidade da superfície inicial e as diferenças entre as técnicas de tratamento de superfície.

Esse estudo demonstrou que o processo de jateamento tem grande potencial como primeiro passo para diminuir as variações de rugosidade para os diferentes ângulos de construção e, principalmente, para áreas DownSkin, em que uma redução de rugosidade de até 80% é possível.

Com polimento eletrolítico por tambor e plasma, é possível processar superfícies até valores menores que Ra = 1 µm com um acabamento bonito e brilhante.

Os resultados, no entanto, também mostram que em alguns casos não existe uma solução única para o acabamento de peças complexas. Na maioria das vezes, uma combinação inteligente de diferentes processos oferece os melhores resultados.

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