Monitoramento Acústico – É a Chave para Comercializar a Fabricação Aditiva Baseada em Laser?

O mercado de fabricação aditiva está em ascensão. Conforme indicam as estimativas de pesquisas setoriais, o mercado global de fabricação aditiva de metais e polímeros, avaliado em 7,17 bilhões de euros em 2020, deve expandir para 19,23 bilhões de euros até 2026. Essa trajetória de crescimento sugere um aumento de quase três vezes em um período de seis anos.

Vários setores estão aproveitando a fabricação aditiva para alcançar seus objetivos de produção. Notavelmente, relatórios indicam que os setores aeroespacial, de turbinas e de helicópteros lideram, ocupando a maior fatia. Isso é seguido de perto por uma adoção significativa na indústria médica.

Com o crescimento do mercado e a gama cada vez maior de aplicações, a fabricação aditiva diversificou-se amplamente, tanto em forma quanto em aplicabilidade. Um desenvolvimento notável nesse campo é a fabricação aditiva baseada em laser. Nas seções seguintes, exploraremos seu potencial comercial e o papel significativo que o monitoramento acústico pode desempenhar em sua aplicação bem-sucedida.

No entanto, antes de explorar esses aspectos em maior profundidade, é importante primeiro entender o que realmente envolve a fabricação aditiva baseada em laser.

O que é Fabricação Aditiva Baseada em Laser?

A MIT Sloan School of Management define a fabricação aditiva como o “processo de criar um objeto construindo‑o camada por camada. É o oposto da fabricação subtrativa, na qual um objeto é criado removendo material de um bloco sólido até que o produto final esteja completo.”

Seguindo a definição, a fabricação aditiva pode significar qualquer processo de criação de um produto por meio da construção de algo. Mas, na prática, refere‑se à impressão tridimensional.

Se analisarmos a história da impressão 3D, ela começou em 1977 quando Wyn Kelly Swainson patenteou o uso direcionado de laser sobre uma bandeja submersa em plástico líquido, fundindo uma camada de plástico sólido na parte superior. Em 1999, pesquisadores do Wake Forest Institute for Regenerative Medicine imprimiram em 3D uma bexiga, que se tornou o primeiro órgão impresso em 3D na história humana. O primeiro móvel funcional impresso em 3D surgiu em 2005. Um uso industrial em maior escala da impressão 3D ocorreu quando a Boeing lançou suas peças de titânio impressas em 3D, aprovadas pela FAA, para o Dreamliner 787.

Desde o início da fabricação aditiva, os lasers têm sido um componente crucial. Laser Systems Europe, uma publicação baseada em Cambridgeshire para integradores e usuários de sistemas de laser industriais para processamento de materiais, define a fabricação aditiva a laser como um processo onde “um feixe de laser é usado para fundir ou derreter camadas sucessivas de fio ou material em pó, criando um objeto 3D.”

A tecnologia se aplica a uma variedade de materiais, incluindo ligas metálicas de alta resistência, termoplásticos e resinas. É capaz de criar formas complexas com um nível significativo de precisão.

À medida que a tecnologia avança, os lasers estão destinados a desempenhar um papel crucial na modelagem do nosso futuro. Suas aplicações podem ser encontradas amplamente nos campos de comunicação, defesa, saúde, energia limpa/fusão nuclear e mais. O mesmo ocorre com a fabricação aditiva baseada em laser, que também possui aplicações diversas e muitas vantagens.

Clique aqui para saber como os lasers estão destinados a desempenhar um papel fundamental nas próximas décadas à medida que a tecnologia avança.

Tipos e Vantagens da Fabricação Aditiva Baseada em Laser

A fabricação aditiva baseada em laser pode ser de diferentes tipos, incluindo fusão em leito de pó, deposição direta de energia, jateamento de material, laminação de folhas e estereolitografia.

Uma de suas vantagens mais definidoras reside em sua capacidade de criar estruturas complexas com geometria otimizada. Técnicas convencionais de fabricação aditiva não conseguem alcançar esse nível de precisão.

A precisão que a fabricação aditiva baseada em laser oferece ajuda a reduzir a necessidade de pós‑processamento. Ela diminui o desperdício de material ao mínimo e reduz drasticamente o consumo de energia em comparação com os processos de fabricação tradicionais.

Os processos de fabricação aditiva baseada em laser são fáceis de automatizar e personalizar conforme a necessidade exata. As propriedades de precisão e automatização do método se combinam para torná‑lo uma solução eficiente para prototipagem rápida a custos notavelmente mais baixos.

Como a fabricação aditiva baseada em laser não requer montagem, pode ser criada exatamente de acordo com a demanda, usando apenas os materiais necessários sem excessos ou desperdícios. Também beneficia o meio ambiente ao reduzir a pegada de carbono gerada pela logística, transporte e esforços de gerenciamento de resíduos.

Áreas de Aplicação da Fabricação Aditiva Baseada em Laser

A aplicação da fabricação aditiva a laser tem um amplo escopo. Na indústria aeroespacial, por exemplo, é fundamental para criar peças de alto desempenho e leves. Os benefícios dessa tecnologia também se estendem à indústria automotiva, onde é usada para produzir componentes essenciais para motores, transmissões, sistemas de escape e freios.

Além disso, a fabricação aditiva a laser tem um papel significativo na área da saúde, particularmente na criação de designs complexos personalizados para pacientes. Isso inclui uma variedade de soluções protéticas como implantes de quadril e joelho e implantes dentários.

No campo da eletrônica, a precisão da fabricação aditiva a laser é aproveitada para criar PCBs de alta precisão. Essa precisão permite a produção de produtos eletrônicos com recursos mais finos, incluindo antenas, sensores e transistores.

O potencial da tecnologia também se evidencia em sua aplicação na fabricação de sistemas microeletromecânicos (MEMS). Aqui, facilita a criação de componentes intricados como acelerômetros e giroscópios.

No setor de energia, a fabricação aditiva a laser mostra‑se benéfica para o reparo de peças de turbinas a gás e eólicas. Também desempenha um papel crítico na fabricação de componentes como impulsor, válvulas e trocadores de calor. Contudo, apesar do potencial de uso multifacetado da fabricação aditiva a laser, ainda não se tornou suficientemente comercializada.

Fabricação Aditiva a Laser: Falta de Comercialização

Um estudo de 2016 aprofundou a análise empírica dos níveis de comercialização da fabricação aditiva a laser. Essa investigação estimou o tamanho do mercado global de lasers industriais, abrangendo todas as fontes de laser, em cerca de US$3,3 bilhões. Dentro desse amplo mercado, as fontes de laser aditivo representavam apenas US$100 milhões. Em termos percentuais, as fontes de laser constituíam apenas 3 % do valor total do mercado.

Os números também podem ser corroborados por informações qualitativas recebidas de fontes da indústria. Por exemplo, na indústria aeroespacial, o ambiente regulatório manteve o uso da fabricação aditiva a laser amplamente limitado ao protótipo e não pôde ser implantado em aeronaves comerciais. Da mesma forma, na indústria automotiva, o uso certificado de peças de fabricação aditiva a laser só começou recentemente.

O crescimento iminente da fabricação aditiva a laser, portanto, dependerá de encontrar sua aplicação em grandes indústrias de manufatura. Além disso, precisará ser impulsionado por inovações, articulando seu potencial de forma mais proeminente do que antes.

Monitoramento Acústico: Um Divisor de Águas para a Fabricação Aditiva a Laser

Um motivo central pelo qual a fabricação aditiva baseada em laser não ganhou o impulso que poderia ter está ligado ao desafio de defeitos inesperados. Esses defeitos muitas vezes não são detectáveis por métodos tradicionais, como imagens térmicas e algoritmos de aprendizado de máquina.

Portanto, a capacidade de detectar defeitos de forma eficiente em tempo real é crucial. Essa capacidade pode ajudar significativamente a fabricação aditiva a laser a alcançar seu verdadeiro potencial comercial.

Para explicar brevemente, o monitoramento acústico para detectar defeitos na fabricação aditiva a laser é uma solução em tempo real que funciona com base na diferença do som que a impressora produz durante uma impressão perfeita e uma impressão com falhas e irregularidades.

Enquanto falava sobre a relevância do monitoramento acústico como meio de detectar defeitos na fabricação aditiva a laser, o Professor Roland Loge, Chefe do Laboratório de Metalurgia Termomecânica da Escola de Engenharia da EPFL, disse:

“Nossa pesquisa não apenas confirma sua relevância, mas também destaca sua vantagem sobre os métodos tradicionais.”

O processo é econômico, especialmente quando se trata da melhoria de qualidade dos produtos fabricados por Laser Powder Bed Fusion (LPBF). No processo de Laser Powder Bed Fusion, uma camada de pó é espalhada sobre a plataforma de construção. O feixe de laser é então usado para fundir seletivamente o pó em áreas específicas. Após a fusão ser concluída, resultando em um objeto sólido, uma nova camada de pó é espalhada novamente por cima para repetir o processo. Essa repetição camada por camada continua até que o produto final seja alcançado.

Clique aqui para a lista das principais ações de fabricação aditiva e impressão 3D.

A Tecnologia de Detecção de Defeitos por Meio do Monitoramento Acústico

A equipe da EPFL desenvolveu o design em colaboração com o Paul Scherrer Institute (PSI) e os Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia dos Materiais (Empa).

Para alcançar seu objetivo, a equipe instalou microfones ultra‑sensíveis dentro da câmara de impressão. Esses microfones ajudaram a detectar mudanças distintas no sinal acústico durante alterações de regime e, eventualmente, ajudaram a identificar defeitos de fabricação.

A pesquisa trouxe valor ao campo da fabricação aditiva a laser, pois os pesquisadores acreditam que suas descobertas impactarão significativamente as aplicações industriais da fabricação aditiva a laser, incluindo as áreas aeroespacial e de manufatura de precisão.

Refletindo sobre as implicações mais amplas, muitas empresas envolvidas na fabricação aditiva a laser oferecem uma variedade de produtos e soluções. Essas empresas agora estão prontas para explorar o estudo mais a fundo… E nos segmentos seguintes, veremos alguns desses players inovadores e líderes em fabricação aditiva a laser.

Principais Empresas Comercializando a Fabricação Aditiva Baseada em Laser

#1. IPG Photonics Corporation

Dois dos processos de fabricação aditiva a laser utilizam lasers da IPG: LMD (Laser Metal Deposition) e SLM (Selective Laser Melting). Enquanto o SLM é fundamental para produzir peças metálicas totalmente densas com propriedades mecânicas aprimoradas, o processo LMD utiliza um bico para alimentar coaxialmente o pó no ponto focal do laser, facilitando a produção de componentes metálicos funcionais totalmente densos.

Ao aprimorar esses processos, os lasers de fibra da IPG desempenham um papel crucial. Eles são fundamentais no desenvolvimento de sistemas e processos que alcançam taxas mais rápidas de acumulação ou deposição de pó, especialmente em níveis de potência de múltiplos quilowatts.

A gama de materiais compatíveis com o processo de fabricação aditiva a laser da IPG é notavelmente diversa, incluindo, mas não se limitando a:

• Polímeros
• CoCr
• Alumínio
• Ligas de Ti
• Aço inoxidável
• Aços ferramenta

Demonstrando o sucesso desses avanços tecnológicos, a IPG Photonics Corporation (IPGP ) reportou resultados financeiros robustos para o ano encerrado em 31 de dezembro de 2022. A empresa registrou uma receita superior a US$1,4 bilhão, com um lucro líquido atribuível à IPG Photonics Corporation por ação ordinária (básica) de US$2,17.

#2. Laser Melting Innovations (LMI)

Um fornecedor inovador de soluções de fabricação aditiva a laser, a LMI, trabalha com a visão de tornar a tecnologia acessível a empresas de todos os tipos e tamanhos.

Seu produto principal, o Alpha 140, utiliza um laser de fibra refrigerado a ar com potência de 200 W, compatível com o processamento de aço inoxidável, ligas de níquel, ligas de aço ferramenta e ligas de alumínio. Seu diâmetro de foco de 140 µm ajuda a produzir saídas precisas com detalhes finos e paredes finas. Seu sistema de eixo acionado por spindle ajuda a obter alta precisão de posicionamento e repetibilidade.

As dimensões de 1,75 m × 0,95 m do sistema permitem eficiência de espaço em ambientes e laboratórios de pesquisa. Os componentes produzidos pelo Alpha 140 são comparáveis aos produzidos pelas máquinas LPBF convencionais em termos de resistência e densidade.

A LMI foi fundada em 1996 e, em 2020, firmou uma colaboração com a Kurtz Ersa, um fabricante de máquinas que também oferece soluções de fabricação aditiva para indústrias como automotiva, médica e aeroespacial, para comercializar o Alpha 140 através da rede de distribuição mundial da Kurtz Ersa com serviço 24 horas.

#3. Prima Additive

A Prima Additive, uma divisão da Prima Industries (PRIMAIN.BO ) spa, oferece soluções de Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ou Selective Laser Melting que utilizam a energia térmica do laser para fundir a seção de um objeto a uma camada de pó metálico.

As soluções de laser da Prima Additive mostram‑se eficazes ao trabalhar com geometrias complexas, sistemas de produção em pequenos lotes e protótipos. Possui cinco soluções no total.

O Print Sharp 150 é eficaz em aplicações de P&D para processar uma variedade de materiais, como aço, alumínio, níquel, titânio e ligas de cromo‑cobalto.

Passando para outro modelo, o Print Genius 150 destaca‑se pela versatilidade de sua tecnologia multi‑laser. Em contraste, a variante Print Green 150 utiliza um laser verde, que é particularmente útil para processar cobre puro, ligas de cobre e materiais altamente refletivos.

E para operações em maior escala, a solução 300 Family se encaixa perfeitamente. É projetada para cenários de alta produtividade e é ideal para a fabricação de componentes de tamanho médio e grande.

Por fim, o Print Genius 400 oferece uma opção altamente automatizada para produzir grandes componentes de até 1 metro de altura.

Em termos de receita, a Prima Industries Spa, empresa‑mãe da Prima Additives, registrou uma receita líquida de mais de 327 milhões de euros nos nove meses encerrados em 30 de setembro de 2022. Isso representou um aumento considerável em relação à receita de mais de 281 milhões de euros registrada nos nove meses encerrados em 30 de setembro de 2021.

O Futuro da Fabricação Aditiva a Laser com Monitoramento Acústico e Mais

Com as inovações em andamento, é apenas uma questão de tempo até que a fabricação aditiva a laser alcance seu verdadeiro potencial comercial. Enquanto isso, o monitoramento acústico surge como uma ferramenta crucial. Essa tecnologia contribuirá para tornar as técnicas de fabricação mais consistentes. Ao detectar defeitos precocemente e facilitar sua correção, está preparada para melhorar significativamente a qualidade dos produtos em um futuro próximo.