Na impressão 3D de metais, as estruturas de suporte podem, por vezes, ocupar até 50% do volume do material bruto. Juntamente com peças defeituosas, esses resíduos metálicos de alto valor não podem retornar ao ciclo produtivo devido à dificuldade de reciclagem. Uma equipe de pesquisa da Universidade Nacional de Pesquisa Tecnológica da Rússia (NUST MISIS) desenvolveu um método de nebulização ultrassônica que utiliza vibrações de alta frequência de 50.000 vezes por segundo para "sacudir" o metal residual, transformando-o em pó de alta esfericidade, com coeficiente de esfericidade de 0,90 (1 sendo uma esfera ideal), abrindo um novo caminho para a reciclagem em circuito fechado de resíduos metálicos da manufatura aditiva. Os resultados da pesquisa foram publicados no periódico JCR Q1 Journal of Manufacturing and Materials Processing.

O dilema do "lixo valioso" da impressão 3D

A manufatura aditiva de metais (ou impressão 3D de metais) é uma das tecnologias de fabricação centrais em áreas como aeroespacial, implantes médicos e moldes de alta precisão. No entanto, essa tecnologia tem um "problema de ricos": gera grandes quantidades de resíduos metálicos de alto valor.

No processo de impressão 3D de metais, o pó metálico não fundido pode ser peneirado e retornar ao ciclo de trabalho. No entanto, ainda existem dois tipos de resíduos que não podem ser reciclados diretamente:

Estruturas de suporte: necessárias ao imprimir peças complexas, podendo, em alguns casos, ocupar até 50% do volume do material bruto

Peças defeituosas: itens com falha de impressão

Esses resíduos têm composição idêntica ao pó original e são de altíssimo valor — especialmente materiais como ligas de titânio, superligas à base de níquel e até metais preciosos como platina. No entanto, devido à complexidade do processamento de reciclagem, eles têm sido descartados ou rebaixados para usos inferiores, sem poder retornar ao ciclo produtivo de alto valor.

Quatro avanços tecnológicos do método de nebulização ultrassônica

A equipe do Laboratório de Manufatura Aditiva da NUST MISIS, liderada pelo estudante de pós-graduação e engenheiro sênior Leonid Fedorenko e por Olga Bashmakova, desenvolveu o método de nebulização ultrassônica para converter diretamente resíduos metálicos em pó de impressão de alta qualidade.

Mecanismo central: fusão por arco elétrico + vibração ultrassônica de 50.000 vezes/segundo

O princípio central dessa tecnologia divide-se em três etapas:

Fusão por arco elétrico: o resíduo metálico é fundido por ação de um arco elétrico, formando um fluxo de metal líquido

Nebulização ultrassônica: o fluxo de metal líquido flui para baixo até uma superfície que vibra a uma frequência de até 50.000 vezes por segundo

Solidificação instantânea: as gotículas de metal fundido solidificam-se instantaneamente em uma atmosfera protetora de argônio, formando partículas de pó esféricas e minúsculas

O segredo desse processo está na vibração ultrassônica de alta frequência, que quebra a tensão superficial do metal líquido, "fragmentando-o" em gotículas uniformes e minúsculas, que se resfriam e solidificam rapidamente na atmosfera protetora.

Salto na esfericidade: de "batata" a "bolinha de gude"

A esfericidade é um indicador central da qualidade do pó metálico — quanto maior a esfericidade, melhor a fluidez do pó e a densidade de empacotamento durante a deposição.

Os dados experimentais da equipe são impressionantes:

Coeficiente de esfericidade do pó reciclado: elevado para 0,90 (1 sendo uma esfera ideal)

Vantagem comparativa: enquanto a morfologia do pó preparado pelo método tradicional de atomização a gás é geralmente irregular, a tecnologia de nebulização ultrassônica obtém pó de alta esfericidade, o que, teoricamente, contribui para melhorar a densidade e as propriedades mecânicas das peças impressas

Olga Bashmakova destacou: "A esfericidade das partículas de pó reciclado aumentou significativamente. Quanto maior o coeficiente de esfericidade do material em pó, melhores são suas propriedades reológicas e a densidade de empacotamento durante a deposição em equipamentos de fusão seletiva a laser."

Circuito fechado do processo: resíduo → pó → impressão → resíduo

O objetivo final dessa tecnologia é fechar o ciclo produtivo da manufatura aditiva de metais. Por meio do método de nebulização ultrassônica, as estruturas de suporte e peças defeituosas, que antes não podiam retornar ao ciclo produtivo, podem ser convertidas em pó esférico de alta qualidade, reentrando no fluxo de impressão 3D.

Isso significa que um sistema completo de circuito fechado "resíduo → pó → impressão → resíduo" pode ser estabelecido, transformando fundamentalmente o modelo de utilização de recursos na manufatura aditiva de metais.

Reconhecimento acadêmico: publicação em periódico Q1, financiamento da Fundação Russa para a Ciência

A pesquisa foi publicada no periódico JCR Q1 Journal of Manufacturing and Materials Processing e recebeu financiamento da Fundação Russa para a Ciência (número do projeto: 25-79-10304).

De ligas comuns a metais preciosos

Primeira fase: validação em ligas comuns

Segundo Stanislav Chernykhin, diretor do Laboratório de Manufatura Aditiva da NUST MISIS, a tecnologia está atualmente sendo validada em ligas comuns para comprovar a eficácia da abordagem proposta.

Foco estratégico: manufatura aditiva de metais preciosos

A equipe de pesquisa destacou claramente que o novo método será especialmente promissor na reciclagem de peças de manufatura aditiva feitas de metais preciosos, como platina.

Metais preciosos como a platina são caros e escassos, ocupando uma posição insubstituível em setores como aeroespacial, médico e químico. Se for possível alcançar uma reciclagem de quase 100% de materiais de metais preciosos por meio da nebulização ultrassônica, os custos dos produtos em setores de alta tecnologia serão drasticamente reduzidos.

Potencial de industrialização: redução de custos e aumento de eficiência

O pó metálico esférico é a matéria-prima central da manufatura aditiva, e seu tamanho de partícula, esfericidade e fluidez afetam diretamente a qualidade das peças impressas. A aplicação em escala dessa tecnologia pode permitir:

Redução dos custos de matéria-prima na manufatura aditiva de metais

Impulsionar o processo de industrialização da reciclagem e reutilização de resíduos

Diminuir a dependência de recursos metálicos primários

Formação de talentos: do laboratório à linha de frente da indústria

Alexander Komissarov, diretor da Faculdade de Engenharia Avançada "Ciência dos Materiais, Tecnologias Aditivas e Interdisciplinares" da NUST MISIS, complementou: "A pesquisa em tecnologias aditivas é uma das direções prioritárias da NUST MISIS. Desde o primeiro ano, os alunos operam equipamentos reais, participam de trabalhos científicos e se envolvem em projetos de empresas líderes nacionais."

Esse modelo integrado de "laboratório-ensino-indústria" fornece um fluxo contínuo de talentos para a iteração contínua e a implementação industrial dessa tecnologia.

Redefinindo a "conta de custos" da manufatura aditiva de metais

O valor profundo dessa tecnologia reside em recalcular o custo do ciclo de vida completo da manufatura aditiva de metais. No passado, as estruturas de suporte e peças defeituosas eram consideradas "custos irrecuperáveis" — pó metálico caro era investido, mas não podia ser reciclado. O método de nebulização ultrassônica dá a esses resíduos uma "segunda vida", permitindo que retornem ao ciclo produtivo com qualidade próxima à do pó original.

Em um momento em que os recursos metálicos críticos globais se tornam cada vez mais escassos e a segurança da cadeia de suprimentos ganha importância, essa tecnologia oferece uma "chave" para a indústria de manufatura aditiva de metais — abrindo a porta para a reciclagem em circuito fechado de resíduos metálicos de alto valor.

Como demonstrado pela equipe da NUST MISIS: quando a vibração ultrassônica de 50.000 vezes por segundo "fragmenta" não apenas a tensão superficial do metal líquido, mas também o modelo linear tradicional de "extração-fabricação-descarte", a manufatura aditiva de metais está passando de uma "arte de precisão de alto custo" para uma "fabricação verde e reciclável".