Como conseguir peças totalmente metálicas com impressão 3D FDM

Imagem 1: Maqueta fabricada com Filamet™ de aço alto carbono e sinterizado. Fonte: The Virtual Foundry

The Virtual Foundry é uma empresa americana, com sede central em Wisconsin, formada por grandes experientes no setor do metal fundido, que trabalham constantemente desde 2014 para melhorar e fazer crescer a sua gama de filamentos e acessórios para a impressão 3D FDM de metal. Nos seus inícios conseguiram fabricar filamentos com altas percentagens de latão, cobre ou bronze  mas a sua estrutura após ser sinterizados não continha as propriedades dos metais. Mediante uma campanha de Kickstarter, The Virtual Foundry conseguiu o apoio suficiente para evoluir os seus filamentos até conseguir as mesmas propriedades que o metal puro e alargou a sua gama de materiais (aço inoxidável 316L, aço alto carbono, alumínio 6061 e tungstêno). Todos os tipos de Filamet™ estão formados por um metal baseie e um polímero biodegradável e ecológico (PLA). Este material está isento de partículas metálicas expostas e de dissolventes voláteis que podem libertar durante a impressão. Estes materiais são sumamente singelos de imprimir, já que as suas propriedades de impressão são similares às do PLA, o que permite a qualquer utente de uma impressora 3D FDM criar peças com estes filamentos, sem a necessidade de adquirir impressoras 3D FDM industriais de metal muito caras. Uma das principais vantagens dos materiais Filamet™ é que conseguem propriedades similares às possíveis com a tecnologia DMLS mas com certas limitações. Devido à necessidade de sinterizar as peças impressas com este filamento, onde se elimina o PLA, as peças apresentam porosidade, perda de volume e não isotropia. As impressoras 3D DMLS conseguem imprimir peças totalmente maciças (similar à fundição), com grande detalhe, alturas de capa de 0.02 mm e sem a necessidade de pós-processado, sendo a única desvantagem em frente à impressão 3D FDM de Filamet™ o custo de: material, fabricação e as próprias impressoras.

Imagem 2: Cones fabricados com Filamet™ de bronze sem sinterizar e sinterizado. Fonte: The Virtual Foundry

Para conseguir que a peça impressa seja totalmente metálica deve ser sinterizada em um forno. O sinterizado é um processo de fabricação de peças sólidas partindo de um objeto formado por pó metálico compactado, ao que se lhe aplica um tratamento térmico a temperatura inferior à de fusão, mas se o suficientemente elevada para enlaçar as partículas metálicas de forma resistente, dando como resultado um bloco totalmente sólido. Após uma impressão com Filamet™ precisa-se sinterizar as peças para eliminar o PLA que faz parte do filamento. O sinterizado pode ser realizado em um forno de meio aberto ou de meio ao vazio ou inerte.

Sinterizado em meio aberto

Para o sinterizado em um meio aberto precisa-se um carvão de casca de coco, um recipiente refratário (crisol) e pó refratário Al₂O₃. O processo começa lixando as bordas ásperas da peça para obter melhores resultados. 

Para começar, o cadinho deve ser enchido com pó refractário, deixando um espaço livre na superfície do cadinho. A peça deve então ser imersa no pó refractário, assegurando que se deixa um espaço de pelo menos 15 mm entre a superfície da peça e as paredes e as partes superior e inferior do cadinho. O pó refractário não deve ser compactado.

Neste ponto, dependendo do material a ser sinterizado, o espaço livre na superfície do cadinho deve ser preenchido com carvão sinterizado ou o cadinho deve ser colocado no forno.

Imagem 3: Processo de sinterização. Fonte: The Virtual Foundry

Sinterizado em meio ao vazio ou inerte

Para o sinterizado em um meio ao vazio ou inerte precisa-se um crisol (recipiente de cocção) e pó refratário. Prepara-se a peça para o sinterizado colocando no interior do crisol e cobrindo-a de pó refratário, tendo em conta que entre as superfícies da peça e do crisol deve ter pelo menos 10 mm de pó. A seguir coloca-se o crisol no forno.

The Virtual Foundry proporciona a seguinte tabela de temperaturas recomendadas, seja para sinterização em ambiente aberto ou em ambiente de vácuo ou inerte:

Tabela 1: Materiais e temperaturas máximas de sinterização.

O utilizador deve ter em conta que estes tempos e temperaturas são um guia e podem variar dependendo de muitos aspectos, tais como o modelo de forno utilizado, por exemplo. Os filamentos da gama Filamet não incluídos na tabela são considerados experimentais, pelo que o fabricante não dispõe de dados para a sinterização.

Se não tiver um forno que satisfaça os requisitos para a sinterização de peças impressas em 3D com filamentos Filamet™, pode contactar-nos e nós informaremos sobre a viabilidade e condições da sinterização nas nossas instalações.

Após sinterizar (em um meio aberto ou em um meio ao vazio ou inerte) qualquer filamento da gama Filamet™ obtêm-se peças totalmente metálicas, com as propriedades reais do metal como condutividade elétrica, pós-processado por lixado e polido ou inclusive união por soldadura; mas com certa porosidade e com uma redução do volume devido à perda do PLA. O utente também deve ter em conta que as propriedades mecânicas do produto final estão diretamente relacionadas com o tempo que a peça impressa se mantém à temperatura de sinterização. Se o produto final é em pó e quebradiço, o tempo de sinterizado não foi o suficiente. Se a impressão mostra uma superfície similar a pele enrugada, está sobre sinterizada.

Pós-processamento: lixar e polir

Uma vez sinterizada a peça pode-se lixar e polir da mesma forma que um metal mas seguindo uma série de indicações. Com lixa de água consegue-se eliminar as linhas de impressão e outras pequenas deformações como as partículas soltas durante o lixar aderem-se aos ocos pelo calor da fricção. Em caso de utilizar papel de lixa ou disco radial de 3M recomenda-se começar o lixar com um grão de 120 (80 para disco radial 3M), tendo cuidado de não deformar as zonas mais delicadas, como os cantos. Uma vez lixada toda a superfície se deve utilizar uma lixa do seguinte grão e assim sucessivamente até aumentar 6 ou 7 (4 vezes para o disco radial de 3M). Antes de passar ao polido final recomenda-se utilizar um papel de lixa de grão 3000, com o qual se consegue verdadeiro brilho. Por último e uma vez limpada a peça com um pano de flanela, pode-se polir a peça. TVF recomenda utilizar uma ferramenta giratória com um disco de polido e cera de polimento para que o polido seja mais rápido e eficaz. Simplesmente deve-se aplicar um pouco de cera de polimento no disco de polido e polir com uns movimentos constantes por toda a peça para não gerar excesso de calor, que pode deformar a peça. Além de lixar e polir as peças fabricadas com Filamet™, pode-se podem talhar, fundir de novo, soldar e alisado com aplicação de calor.

Imagem 4: Cubo de cobre polido. Fonte: The Virtual Foundry

Visto como conseguir peças totalmente metálicas com impressão 3D FDM podemos concluir dizendo que esta tecnologia de impressão, com a ajuda dos filamentos metálicos The Virtual Foundry, conseguiu chegar aos pouco setores que lhe faltava por conquistar, sobretudo a alguns do ramo industrial.