Quando o fabrico aditivo encontra a conformação incremental, não se trata de uma simples sobreposição, mas de uma «coevolução» impulsionada por uma única fonte de energia. A tecnologia de Conformação Incremental de Fabrico Aditivo Híbrido (HAMIF), desenvolvida por investigadores indianos, realiza a impressão 3D de metais e a estampagem camada por camada num único equipamento, fazendo com que a força de tração salte de 670N para 805N, ao mesmo tempo que elimina micro-fissuras e porosidade, oferecendo uma nova solução para o dilema da qualidade no fabrico aditivo de metais.
I. O «dilema da qualidade» no fabrico aditivo de metais
O fabrico aditivo (FA) de metais permite estruturas geométricas complexas inatingíveis pela fabricação subtrativa tradicional, demonstrando um enorme potencial em áreas como aeroespacial, implantes médicos e fabrico de moldes. No entanto, esta tecnologia enfrenta sempre várias «deficiências congénitas»: ligação fraca entre camadas, alta porosidade interna, grande rugosidade superficial e contração de material difícil de controlar.
Estes problemas fazem com que as peças metálicas produzidas por fabrico aditivo necessitem frequentemente de muito pós-processamento – usinagem, polimento, tratamento térmico – para satisfazer os requisitos das aplicações de engenharia. Isto não só aumenta os custos e o tempo de produção, como também enfraquece a principal vantagem do fabrico aditivo: a «forma quase líquida».
Como melhorar simultaneamente as propriedades mecânicas e a qualidade superficial das peças sem as retirar da plataforma de impressão? A equipa de investigação do PDPM Indian Institute of Information Technology, Design and Manufacturing, Jabalpur, deu uma resposta engenhosa: integrar a Conformação Incremental no processo de fabrico aditivo, impulsionada pelo mesmo sistema de energia, para alcançar «reforço durante a impressão».
II. Destaques da inovação: Arquitetura do equipamento híbrido impulsionada por uma única fonte de energia
Em 1 de fevereiro de 2025, os quatro académicos Mithilesh Kumar Tiwari, Shekhar Srivastava, K Ponappa e Puneet Tandon publicaram um artigo na revista «Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications», expondo pela primeira vez de forma sistemática a arquitetura do equipamento e os princípios de controlo desta tecnologia de Conformação Incremental de Fabrico Aditivo Híbrido (Hybrid Additive Manufacturing Incremental Forming, HAMIF).
Destaque 1: Design de equipamento integrado – «Reforço durante a impressão»
O equipamento HAMIF desenhado pela equipa de investigação inclui vários módulos principais:
Unidade híbrida de extrusão e conformação: O coração de todo o equipamento, integrando as funções duplas de extrusão de material e conformação por estampagem.
Componente funil-cilindro: Permite o fornecimento contínuo de material metálico.
Aquecedor de faixa: Controla com precisão a temperatura de extrusão.
Conjunto de válvulas solenoides: Controla o movimento vertical do componente cilindro, permitindo a comutação sincronizada entre as operações de fabrico aditivo e conformação.
Arquitetura de controlo completa: Garante a coordenação precisa das duas tecnologias no tempo e no espaço.
A inovação chave reside no facto de o fabrico aditivo e a conformação incremental serem impulsionados pela mesma fonte de energia, eliminando a necessidade de transferir a peça de trabalho entre dois equipamentos e evitando fundamentalmente os erros de posicionamento e perdas de eficiência causados pelo re-fixamento.
Destaque 2: Avanço no mecanismo – De «empilhamento camada por camada» para «compactação camada por camada»
A equipa de investigação realizou uma análise comparativa de amostras produzidas pelo processo HAMIF e por fabrico aditivo puro através de microscopia eletrónica de varrimento (MEV), revelando o mecanismo interno da melhoria de desempenho:
Eliminação de micro-fissuras e porosidade: A ação mecânica da estampagem durante o processo de conformação incremental sujeita a interface entre camadas a uma segunda compactação, fechando os pequenos poros existentes.
Melhoria da ligação entre camadas: O processo de estampagem promove a difusão de material entre camadas adjacentes, formando uma ligação metalúrgica mais forte.
Formação de grãos orientados: Observado ao microscópio ótico, os espécimes HAMIF apresentam uma orientação de grãos unidirecional mais favorável às propriedades mecânicas.
Destaque 3: Dados de desempenho – Aumento de 20% na força de tração
Os testes de propriedades mecânicas forneceram a prova mais direta:
| Tipo de Processo | Força de Tração Máxima | Comparação |
|---|---|---|
| Fabrico Aditivo Puro (AM) | 670 N | Referência |
| Processo Híbrido HAMIF | 805 N | Aumento de ~20% |
Estes dados mostram que o efeito de pós-compactação da conformação incremental não é uma simples adição, mas produz um efeito sinergético de «1+1>2».
Destaque 4: Salto na qualidade superficial
Num artigo de conferência da ASME publicado anteriormente pela mesma equipa, realizaram testes comparativos de qualidade superficial no equipamento HAMIF utilizando uma liga de estanho. Os resultados mostraram:
Fabrico aditivo puro: Rugosidade superficial média de 0.3514 μm
Processo HAMIF: Rugosidade superficial média de 0.0555 μm
Isto significa uma redução de 84% na rugosidade superficial, alcançando um acabamento de nível espelhado.
III. Conteúdo técnico: Como alcançar a coordenação de «fonte de energia única, duplo processo»
O principal desafio técnico do equipamento HAMIF é: Como realizar a transição suave entre dois modos de movimento – conformação por extrusão (contínua) e conformação por estampagem (intermitente) – impulsionados por uma única fonte de energia?
O artigo detalha a linha de pensamento no desenho da arquitetura de controlo:
Design de parafuso de passo variável: A unidade de extrusão utiliza um parafuso de passo variável, garantindo o transporte estável do material enquanto reserva espaço para o cabeçote de conformação na extremidade.
Cabeçote de conformação desmontável: A extremidade do bico pode ser rapidamente trocada por um cabeçote de conformação, permitindo operações alternadas de «imprimir uma camada, estampar uma camada».
Sistema de controlo por válvulas solenoides: Controla com precisão o curso vertical do componente cilindro através de válvulas solenoides, garantindo que a profundidade de estampagem seja uniforme e controlável.
A equipa de investigação enfatiza especificamente que, durante o processo de design, resolveram problemas de engenharia como o sobreaquecimento do funil e a perda de controlo da temperatura na zona de alimentação, garantindo que o material mantenha um estado reológico ideal tanto na fase de extrusão como na de estampagem.
IV. Perspetivas de aplicação: De «forma quase líquida» para «reforço de forma líquida»
O valor da tecnologia HAMIF reside no facto de transformar o «pós-processamento» em «processamento sincronizado», permitindo que a peça complete uma atualização abrangente das suas propriedades mecânicas e qualidade superficial antes de sair da plataforma de impressão.
1. Componentes estruturais para aeroespacial
Materiais aeroespaciais como ligas de titânio e superligas são extremamente sensíveis a defeitos internos. A ação de compactação entre camadas do processo HAMIF pode reduzir significativamente a porosidade e aumentar a vida à fadiga, sendo adequado para componentes críticos como pás de turbina e componentes da câmara de combustão.
2. Fabrico de moldes complexos
Moldes de injeção e fundição sob pressão requerem canais internos complexos e alto acabamento superficial. Os processos tradicionais exigem usinagem e montagem separadas, enquanto o HAMIF pode realizar a conformação integrada de canais de arrefecimento conformados + cavidades com acabamento espelhado.
3. Implantes médicos
Os implantes ortopédicos têm requisitos extremamente elevados de qualidade superficial e propriedades mecânicas. O processo HAMIF pode realizar simultaneamente estruturas porosas para crescimento ósseo + superfícies densas de suporte de carga, sem necessidade de polimento secundário, evitando contaminação superficial.
4. Reparação e remanufatura
Para a reparação aditiva de peças metálicas danificadas, a resistência da ligação entre a camada de reparação e o substrato é crucial. A operação de estampagem do HAMIF pode melhorar significativamente a qualidade da ligação na interface de reparação, aumentando a vida útil das peças remanufaturadas.
V. Significado industrial: Redefinindo os limites das capacidades do fabrico aditivo de metais
O valor mais profundo deste estudo reside na reestruturação do paradigma tecnológico do fabrico aditivo de metais. A lógica do fabrico aditivo tradicional é «conformação por empilhamento», sendo os defeitos «congénitos»; a lógica do HAMIF é «empilhamento + compactação», sendo os defeitos «curáveis».
Como afirma a conclusão do artigo: «A tecnologia HAMIF, ao realizar a coordenação entre fabrico aditivo e conformação através de uma única fonte de energia, resolve efetivamente os problemas de porosidade e contração de material no fabrico aditivo de metais, melhorando simultaneamente as propriedades mecânicas e a qualidade superficial. Isto abre um novo caminho para a aplicação em escala da fabricação híbrida em áreas de equipamento de alta tecnologia.»
Quando o fabrico aditivo começa a possuir a capacidade de «auto-aperfeiçoamento», a liberdade de design e a fiabilidade em serviço das peças metálicas subirão simultaneamente para um novo patamar.
Fonte: PDPM Indian Institute of Information Technology, Design and Manufacturing, Jabalpur (Índia); Autores: Mithilesh Kumar Tiwari, Shekhar Srivastava, K Ponappa, Puneet Tandon; Título: Fabrication and control architecture of novel hybrid metal additive manufacturing incremental forming technology; Publicado em: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications (1 de fevereiro de 2025)
