Fabrico aditivo através de WAAM: impressão 3D em metal rentável

O processo Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) está a ganhar cada vez mais protagonismo na indústria. Baseado na soldadura por arco através da criação de camadas, oferece uma grande flexibilidade na geometria da peça, sendo mais rentável que outros processos aditivos para a produção de moldes e séries pequenas. O Fronius Cold Metal Transfer cumpre todos os requisitos para este tipo de fabrico, assegurando uma elevada qualidade dos componentes produzidos e proporcionando as melhores condições para isso.

Os métodos de fabrico aditivo criam componentes através da união de camadas. O exemplo mais conhecido é a impressão 3D. O WAAM, baseado nos processos de soldadura por arco, também cria partes de metal unindo camadas formadas pela fundição do fio. Este método generativo oferece grandes vantagens, em especial quando é necessário produzir formas complexas, visto que as opções de conceção são limitadas. Além disso, os componentes podem ser fabricados de forma extremamente rápida e com um custo baixo, o que faz do WAAM uma opção muito atrativa para o fabrico de moldes e pequenas séries. O tempo de processamento, o desgaste da ferramenta e a perda de material durante a maquinagem, com um enfoque convencional de fresagem da peça de um bloco sólido, implicam significativos custos extra.

Existem diferentes processos de produção generativos para metal: baseados em pó e em fio. Nos do primeiro grupo, as capas são unidas utilizando-se pó de metal fundido. O método mais comum, de fusão em leito de pó, proporciona resultados muito precisos, embora seja lento em termos de produção. Por outro lado, os processos baseados em fio criam o componente fundindo um metal de enchimento em forma de fio, que requer a utilização de um laser, um feixe de eletrões ou um arco voltaico. Estes processos têm uma elevada taxa de deposição, o que ajuda a reduzir os tempos de produção.

O Wire Arc Additive Manufacturing é um processo baseado em fio que utiliza o processo de soldadura por arco metálico com gás (GMAW). O WAAM proporciona uma série de vantagens, entre elas uma elevada taxa de deposição (até quatro quilos por hora com materiais de aço), embora no futuro as soluções multifio possam oferecer taxas de deposição ainda mais elevadas. A redução de custos de equipamentos e materiais é outro dos pontos fortes do WAAM, visto que tudo o que necessita é um sistema de soldadura adequado, sem que sejam necessários dispendiosos equipamentos especiais, como as câmaras de vácuo necessárias para o processo do feixe de eletrões mais rápido.

Além disso, é fácil conseguir fios já certificados para WAAM, o que não acontece com os processos baseados em pó. Isto deve-se ao facto de que adquirir a certificação necessária e gerar fichas de dados pode demorar vários anos, visto que a utilização de pó metálico é algo inovador.

Uma soldadura estável e uma dissipação de calor eficaz são aspetos fundamentais para o WAAM. O processo de soldadura deve ser o mais frio possível para que, quando for aplicada uma nova camada, as já existentes não derretam. Além disso, as camadas devem ser contínuas, consistentes e livres de projeções. Caso seja produzida alguma imperfeição, esta será replicada nas camadas seguintes.

O processo Fronius CMT GMAW e as suas variantes de controlo de processo produzem um arco estável e um curto-circuito controlado com tempos longos, cumprindo assim os anteriores requisitos. Merecem destaque o seu arco voltaico estável e um curto-circuito controlado com longos tempos de curto-circuito. Isto significa que a entrada de calor é menor e a transferência de material está praticamente livre de projeções, o que ajuda a prevenir imperfeições.

Existem duas variantes de controlo de processo Fronius CMT especialmente adequadas para o WAAM. Uma é a característica do processo aditivo CMT, otimizada para o WAAM, que alcança elevadas taxas de deposição ao mesmo tempo que transfere muito pouco calor à peça. A variante CMT Cycle Step reduz ainda mais a potência do arco através da desativação controlada do mesmo durante a fase de processo. No entanto, este processo particularmente “frio” necessita de mais tempo para criar as camadas, visto que a taxa de deposição é menor.

Um processo de soldadura estável e uma dissipação de calor eficaz são aspetos fundamentais para o WAAM. A solução Fronius CMT GMAW cumpre estes requisitos. Foto: Fronius International GmbH.

Foram desenvolvidos inúmeros componentes WAAM em diferentes setores utilizando a tecnologia Fronius, como por exemplo, ventiladores para a indústria eletrónica, feitos de materiais de grande qualidade. Neste caso, a fresagem da peça de trabalho é muito cara devido ao elevado consumo de material, ao passo que a fundição nem sempre é capaz de cumprir as complexas propriedades metalúrgicas necessárias para paredes com apenas 1,5 mm de espessura. Com o WAAM baseado no CMT Cycle Step, as pás destes ventiladores podem ser produzidas a partir de uma liga à base de níquel utilizando um enfoque aditivo, e até é possível reparar componentes utilizando o WAAM.

A Fronius também implementou uma nova aplicação junto de um colaborador no setor aeronáutico. O titânio é um material de utilização frequente na construção de aeronaves devido à sua resistência à tração, resistência, resistência à corrosão e peso reduzido. A maioria dos componentes é produzida usando métodos de subtração, pelo que até 90% do material é fresado. Isto traduz-se em elevados custos, longos períodos de maquinagem e um dispendioso desgaste da ferramenta. As peças produzidas com o WAAM, por outro lado, apenas necessitam de uma revisão para se gerar uma superfície lisa. Os componentes de titânio criados através da utilização do processo aditivo CMT não implicam qualquer problema relacionado com a falta de fusão e possuem propriedades metalúrgicas notáveis. Além disso, os custos de ferramenta, os tempos de maquinagem e o desgaste podem reduzir-se, poupando-se nos custos de maquinagem.

O elétrodo de fio reversível utilizado no processo CMT suporta mecanicamente o desprendimento da gota, o que significa que necessita de menos energia, conseguindo períodos longos de curto-circuito para um processo de soldadura 'frio'. Foto: Fronius International GmbH.