Manufatura aditiva
Como os Quasicristais Fortalecem o Alumínio 3D Impresso de Grau Aeroespacial
Adicione Securities.io às suas fontes preferidas no Google
Da Teoria à Prática
Às vezes, a atribuição do Prêmio Nobel vai para pesquisas que podem ser um pouco abstratas para o grande público. Esse foi o caso do Prêmio Nobel de Química de 2011, que premiou a descoberta dos “quasicristais”.
Isso ocorre porque muitos materiais na natureza, bem como os artificiais, são organizados em cristais “normais”. O que os define é uma estrutura 3D simples ao nível atômico que se repete milhões de vezes, até a escala macroscópica. Essas estruturas são responsáveis por conferir propriedades a vários metais, bem como a outros materiais como o silício usado em chips de computador e painéis solares.
Existem apenas 230 maneiras possíveis para os átomos formarem padrões cristalinos repetitivos, algo que antes se acreditava ser uma regra rígida da natureza.
Fonte: Nobel Prize
No entanto, apareceu que outras estruturas eram possíveis, onde algumas formas básicas podem ser montadas para organizar estruturas moleculares regulares, sem ter um padrão repetitivo. Essa descoberta foi feita por um pesquisador que trabalha principalmente no National Institute of Standards and Technology (NIST).
Fonte: NIST
Andrew Iams, pesquisador do NIST, pode ter encontrado aplicações práticas para esses quasicristais, já que eles se formam durante a impressão 3D de alumínio. Como o alumínio é um metal muito útil em aplicações aeroespaciais, mas também notavelmente difícil de imprimir em 3D, isso pode representar um grande avanço.
(Você pode ler uma visão geral da indústria de impressão 3D em nosso artigo “Impressão 3D Consolidando o Futuro da Manufatura”.
Esses resultados1, realizados por pesquisadores do NIST, HRL Laboratories LLC e L.A. Giannuzzi & Associates LLC, foram publicados no Journal of Alloys and Compounds, sob o título “Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”.
Por que os Cristais Importam?
Embora uma estrutura cristalina possa conferir propriedades especiais a um material, ela também traz fraquezas.
Como a estrutura é extremamente regular, pode ser fácil para os átomos deslizarem uns sobre os outros. Quando isso ocorre em grande escala, cria microfraturas ou até grandes fissuras no material, tornando-o mais fraco do que poderia ser teoricamente.
Esse problema é ampliado na impressão 3D porque o metal derrete em pequenas quantidades e depois esfria muitas vezes. E tanto na impressão 3D quanto na forja tradicional, o alumínio é especialmente vulnerável às chamadas fissuras de solidificação, ou “hot tearing”.
Isso acontece quando o metal líquido remanescente não consegue compensar a contração do metal já solidificado durante o resfriamento. Essas fissuras comprometem a integridade estrutural das peças de alumínio, potencialmente levando a materiais mais fracos e mais propensos a falhas.
A Necessidade de Melhor Impressão 3D de Alumínio
Temperaturas Muito Mais Extremas
Ao fundir alumínio da maneira tradicional, as temperaturas do metal líquido variam entre 690 °C e 725 °C (1274 °F – 1337 °F), e as taxas de resfriamento de solidificação tipicamente entre 0,4 °C/s e 10 °C/s.
Em contraste, a manufatura aditiva (impressão 3D) para materiais metálicos usa laser-powder bed fusion, onde o pó metálico é depositado e depois fundido por um laser (siga o link para ver em vídeo).
Isso gera temperaturas de metal líquido acima de 3000 °C (5430 °F), ultrapassando o ponto de ebulição do metal em vez de apenas fundi‑lo, e taxas de resfriamento de solidificação ultra‑rápidas que excedem 1 milhão °C/s.
“Ligas de alumínio de alta resistência são quase impossíveis de imprimir. Elas tendem a desenvolver fissuras, o que as torna inutilizáveis.”
As Promessas do Alumínio Impresso em 3D
Apesar das dificuldades técnicas, a impressão 3D de alumínio é muito promissora, pois pode criar formas e peças que outras técnicas de forja não conseguem produzir.
Por exemplo, partes de motores de foguetes ou bicos de combustível para motores de avião agora são frequentemente feitas com impressão 3D, transformando até 20 peças que precisariam ser montadas em apenas uma e reduzindo seu peso.
Em 2017, uma equipe da HRL Laboratories (que contribuiu para a pesquisa discutida aqui) descobriu que a adição de zircônio ao pó de alumínio impedia que as peças impressas em 3D trincassem, resultando em uma liga forte.
No entanto, o porquê disso funcionar ainda não era bem compreendido até que estruturas estranhas fossem observadas na estrutura atômica do metal.
“Para confiar o suficiente neste novo metal a ponto de usá‑lo em componentes críticos como peças de aeronaves militares, precisamos de um entendimento profundo de como os átomos se encaixam.”
Encontrando e Produzindo Quasicristais
Os pesquisadores tiveram de usar um microscópio eletrônico para analisar o material na menor resolução de imagem possível. Ele revelou que os átomos estavam dispostos em padrões novos e estranhos, exibindo simetria rotacional de cinco, três e duas faces que não poderiam ser causadas pelos cristais normalmente encontrados em ligas de alumínio.
“Foi quando comecei a ficar empolgado. Porque pensei que poderia estar olhando para um quasicristal.”
Andrew Iams, engenheiro de pesquisa de materiais no NIST
Além das áreas com grãos finos da liga alumínio‑zircônio, os pesquisadores observaram quasicristais icosaédricos, na forma de dados de 20 faces.
Fonte: Math Stack Exchange
Isso rompe a estrutura cristalina regular normalmente encontrada, reduzindo o potencial de formação de fissuras. Assim, os quasicristais quebram o padrão regular dos cristais de alumínio, criando defeitos que tornam o metal mais forte.
A simulação computacional então forneceu insights sobre a formação dos quasicristais. Apareceu que há uma fase secundária durante o processo de resfriamento, que favorece a formação de quasicristais.
De núcleos feitos de quasicristal, ramificações de padrões de quebra de linha de quasicristal no metal tornam-no, em geral, mais forte e menos propenso a trincar durante o resfriamento ou sob estresse mecânico.
Fonte: NIST
Desenvolvimentos Futuros
Este novo tipo de liga de alumínio impressa em 3D exibe uma dureza comparável ao AA7075 envelhecido, uma liga de alumínio estabelecida com alta resistência à corrosão e amplamente usada em peças estruturais de aeronaves.
Esses testes iniciais sugerem que um tratamento térmico de endurecimento por precipitação poderia tornar essa liga ainda mais dura, embora ainda precise ser comprovado experimentalmente.
Ele também cria uma estrutura na qual a produção de alumínio ainda mais forte poderia ser possível. Agora que os cientistas de materiais podem prever parcialmente a formação de quasicristais durante a manufatura aditiva, eles podem focar em melhorar sua ocorrência para aprimorar o desempenho mecânico.
Investindo em Impressão 3D
A impressão 3D está apenas agora alcançando maturidade tecnológica, bem como consolidação de mercado. Isso dá aos investidores um pouco mais de visibilidade do que no passado e confirma que essa tecnologia está longe de ser uma moda passageira, mas sim aqui para ficar.
Você pode investir em empresas relacionadas à impressão 3D através de muitas corretoras, e pode encontrar neste site nossas recomendações para as melhores corretoras nos EUA, no Canadá, na Austrália, no Reino Unido, bem como muitos outros países.
Além das empresas discutidas abaixo, você também pode encontrar ideias de investimento potenciais em nosso artigo “Top 10 Ações de Nanotecnologia”.
Se você não está interessado em escolher empresas específicas de impressão 3D, pode também olhar para ETFs como ETF de Impressão 3D da ARK Invest (PRNT) para capitalizar o crescimento do setor de manufatura aditiva como um todo.
Um Exemplo Inovador
(Além das empresas discutidas abaixo, você pode ler sobre outras em nosso artigo “Top 10 Ações de Manufatura Aditiva e Impressão 3D para Observar”)
Nano Dimension
NNDM Gráfico de preços
A maioria das empresas de manufatura aditiva foca em metal e plástico, com ênfase em peças mecânicas complexas. A Nano Dimension (NNDM ), por outro lado, foca em eletrônicos impressos em 3D. Isso inclui tecnologias muito especializadas como tintas condutoras ou dielétricas & cerâmicas. Essas podem, por exemplo, ser usadas para construir componentes ópticos ou de rádio.
Esta é uma das possíveis aplicações da impressão 3D em escala nanométrica, que exploramos mais a fundo em “Impressão 3D em Nanoescala Parece Pronta para Comercialização”.
A Nano Dimension cresceu por meio de uma combinação de aquisições e P&D interno.
Fonte: Nano Dimensions
Essa estratégia atingiu um novo patamar com a aquisição da Desktop Metal anunciada em 2024 e finalizada em 2025. Juntas, as 2 empresas terão uma posição muito mais forte em impressão 3D de metal e cerâmica em todas as escalas, desde eletrônicos até equipamentos industriais grandes e aeroespaciais.
Isso também cria economias de escala ao unir a base de clientes que inclui SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics, etc.
Por fim, as duas empresas estavam principalmente ativas em áreas geográficas diferentes, com a Nano Dimension na Europa e a Desktop Metal nos EUA, permitindo sinergia ao combinar suas equipes de vendas.
Fonte: Nano Dimension
A empresa afirma que pode reduzir a pegada ecológica da manufatura, com redução de 94 % nas emissões de CO₂, 100 % na água, 98 % nos materiais e 82 % nos produtos químicos. No geral, podemos esperar que a Nano Dimension se torne uma das líderes da tecnologia.
Fonte: Nano Dimensions
As empresas fundidas estão muito bem posicionadas para aproveitar novas descobertas em impressão 3D e como produzir uma liga de alumínio mais forte, com essas inovações provavelmente expandindo o mercado endereçável.
No entanto, os investidores precisam estar cientes de que tanto a Nano Dimension quanto a Desktop Metal, antes da aquisição, apresentavam fluxo de caixa negativo, de modo que a empresa resultante precisará cortar custos ou crescer suficientemente para gerar lucro no futuro.
Últimas Notícias sobre a Nano Dimension
Estudos Referenciados:
1. Andrew D. Iamset al. (2025). Fabricação rápida de fibras atuadoras de elastômero dielétrico de alta permissividade. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 abril de 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281
