ASM International é uma sociedade profissional sem fins lucrativos focada em fornecer conhecimento científico de engenharia e técnico aos seus membros e à comunidade científica de materiais. Em seus laboratórios de educação e experimentação, eles trabalham regularmente com soluções de inspeção inovadoras que têm o potencial de melhorar a garantia de qualidade na fabricação.
Uma nova aplicação em que eles estão trabalhando é a fusão de leito de pó a laser (L-PBF), um processo de manufatura aditiva em que um laser é usado para soldar material em pó para formar um objeto 3D. Pense nisso como uma impressão 3D, mas para peças de metal. Um dos desafios que a ASM International está estudando é como avaliar a qualidade das peças impressas em 3D.
Como funciona a fusão de leito de pó a laser?
O processo começa com um leito de pó metálico sobre uma base. Um laser muito fino aquece seletivamente o material em pó, fazendo com que ele se una. Ao criar milhares (ou mais, dependendo do tamanho da peça) de pequenas soldas em várias camadas e descartar o material em pó não utilizado, os usuários podem criar um objeto de metal 3D com eficácia.
Todo o processo é controlado por um computador e cerca de 200 parâmetros precisam ser devidamente configurados para cada peça que está sendo criada. A falha em configurá-los corretamente pode levar a desafios durante o processo de fabricação e baixa qualidade das peças. Por exemplo, se o sistema não estiver configurado corretamente, podem ocorrer vazios ou porosidades. Isso pode enfraquecer a parte final, fazendo com que falhe prematuramente.
Existem tecnologias disponíveis para avaliar a qualidade das peças produzidas pela L-PBF. Uma das mais comuns é a tomografia computadorizada ou TC. A TC usa raios X para capturar uma série de cortes transversais 2D de uma peça. Essas fatias podem então ser reconstruídas em uma renderização 3D para que os usuários possam visualizar recursos externos e internos da peça. Embora seja eficaz, usar esse método sozinho é demorado. E na manufatura aditiva, velocidade e eficiência são críticas.
Experimentação com Microscopia Confocal de Varredura a Laser
A ASM tem um microscópio confocal a laser Olympus LEXT™ OLS5000 em seu laboratório. O microscópio OLS5000 é usado em muitas aplicações de inspeção para medir a forma e a rugosidade da superfície de uma amostra no nível submicrônico. Suas vantagens incluem velocidade, facilidade de uso, longa distância de trabalho e imagens precisas.
O microscópio LEXT OLS5000 no laboratório da ASM International.
John Peppler, um metalúrgico sênior e gerente de laboratório da ASM International, usou o microscópio OLS5000 para ajudar a acelerar o processo de L-PBF. Especificamente, ele usou o microscópio OLS5000 para caracterizar a forma da solda e depois comparou os resultados com os da tomografia.
Avaliação de peças impressas quanto a defeitos
A camada superior da parte impressa mostra as soldas que foram colocadas. A forma das soldas e os espaços entre elas têm muito a ver com a localização e avaliação de defeitos potenciais, e analisar esses tipos de formas é um ponto forte do microscópio OLS5000.
Para configurar e concluir uma avaliação completa de um componente usando uma tomografia computadorizada, leva cerca de 3 horas. Com o microscópio OLS5000, leva cerca de 1 hora para digitalizar uma área de 3 mm × 3 mm para determinar a rugosidade da superfície. Além disso, Peppler usou o microscópio OLS5000 para capturar medições de perfil de linha simples da peça — cada uma dessas varreduras levou apenas alguns minutos.
 Uma imagem colorida da digitalização de 3 mm × 3 mm capturada usando uma longa distância de trabalho, objetiva de 50X. |  Um mapa de altura da mesma área mostrada na imagem à esquerda. |
Embora os dados OLS5000 não mostrem a composição interna completa da peça, eles foram eficazes na avaliação dos picos e vales presentes na superfície da peça. O microscópio permite que os usuários definam um “vale” medindo uma profundidade específica abaixo da superfície da peça e, em seguida, exibam essas medições. O mapeamento fornecido pelo microscópio a laser pode ajudar a melhorar a qualidade do componente, verificando se o sistema L-BPF está funcionando corretamente. Se, por exemplo, houver grandes vazios entre as soldas na camada superior que não deveriam estar lá, pode-se razoavelmente supor que tais lacunas provavelmente existam dentro da peça também, portanto, a integridade da peça deve ser verificada por uma varredura TC.
Imagens capturadas por um microscópio OLS5000 de três varreduras de 3 mm x 3 mm mostrando intensidade, cor, mapa de altura e mapa de estágio.
Ajustando o Sistema L-PBF
Os recursos de medição de rugosidade linear rápida do microscópio OLS5000 são potencialmente úteis para ajustar adequadamente o sistema durante a configuração. Cada máquina L-PBF possui um conjunto de parâmetros que precisam ser configurados adequadamente para permitir a produção das melhores peças possíveis. Fazer a ligação requer tentativa e erro, portanto, soluções de teste rápido que podem ajudar a acelerar esse processo são essenciais.
Uma série de perfis de altura linear em soldas L-PBF. Os vales entre as soldas adjacentes são significativamente mais profundos do que a camada de altura de construção, indicando uma falha.
Alguns fatores-chave que precisam ser medidos são o número, localização e profundidade de quaisquer vales na peça. A abordagem de medição baseada em laser de alta resolução e sem contato do microscópio mede com precisão a profundidade mesmo de vales estreitos entre as soldas. Peppler espera que, ao criar um mapa das linhas de varredura, ele possa criar uma ferramenta que ajude os fabricantes a ajustar suas máquinas de manufatura LBPF não apenas quanto ao formato, mas também quanto à solidez interna. Embora o microscópio OLS5000 não possa substituir a tomografia computadorizada, ele pode ser um componente crítico de um processo que torna os processos de configuração e garantia de qualidade mais eficientes.
Conclusão
A fusão a laser em leito de pó e técnicas de fabricação aditiva semelhantes estão ganhando popularidade rapidamente. A capacidade de imprimir peças de metal 3D com formas e geometrias complexas sem forjar ou fresar é atraente para muitos fabricantes. No entanto, à medida que as técnicas de fabricação de ponta são desenvolvidas, elas devem ser apoiadas por tecnologias de inspeção avançadas. A colaboração entre a Olympus e a ASM International visa ajudar combinando equipamentos avançados com educadores e pesquisadores qualificados que trabalham juntos para desenvolver soluções para desafios emergentes.
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