Fusão a Laser em Leito de Pó acaba de se tornar mais atraente com este último avanço

Qual tecnologia dominará a impressão 3D?

À medida que a impressão 3D, também chamada de manufatura aditiva, se torna cada vez mais um componente chave da manufatura avançada, é importante otimizar ainda mais o processo. Isso ocorre porque peças e componentes impressos em 3D são geralmente usados em aplicações muito exigentes, como motores automotivos, foguetes, equipamentos militares, etc. Assim, nessas circunstâncias, qualquer falha de um componente pode desencadear um efeito dominó catastrófico.

Isso será crucial para permitir que a indústria passe da consolidação atual para se tornar o processo de fabricação dominante em relação aos métodos mais antigos de fundição de metal em moldes e usinagem.

Uma técnica de impressão 3D em particular é usada para manufatura de precisão: fusão a laser em leito de pó.

Pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison e do Laboratório Nacional de Argonne analisaram recentemente o processo com imagens avançadas de raios X e acreditam que podem reduzir drasticamente os defeitos que ocorrem durante a fabricação. Eles publicaram suas descobertas no International Journal of Machine Tools and Manufacture, sob o título “Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging¹”.

Fusão a Laser em Leito de Pó

A forma como a impressão 3D em leito de pó funciona é que uma camada de pó contendo o material usado para a manufatura aditiva é depositada em um recipiente. Um laser então derrete/funde o pó na zona que formará o item impresso em 3D.

Uma nova camada de pó é então depositada por cima, e as partes que precisam ser derretidas e adicionadas ao item são novamente direcionadas pelo laser. Feito por tempo suficiente, podem ser produzidas formas muito complexas, bem como itens relativamente grandes.

Fonte: ResearchGate

Você pode ver a fusão a laser em leito de pó em ação neste vídeo, bem como alguns exemplos do que pode ser fabricado usando esta técnica.

A fusão a laser em leito de pó pode ser usada para produzir itens em plásticos, mas, mais importante, também em metais, incluindo titânio, aço, cobalto-cromo, alumínio, etc.

A vantagem deste método é que ele cria geometria muito precisa, com tolerâncias de +/- 0,2 mm, semelhante à moldagem por injeção de metal. Também desperdiça muito pouco material, pois o pó não utilizado pode ser recolhido e reutilizado.

Peças maiores podem ser impressas rapidamente usando múltiplos lasers simultaneamente, geralmente em designs de impressoras 3D mais avançados.

Deve-se notar que fusão a laser em leito de pó é um termo guarda-chuva que cobre várias sub-técnicas diferentes:

• Selective Laser Melting (SLM) e Direct Metal Laser Sintering (DMLS), processos com marca registrada que utilizam um sistema de laser para fundir completamente o pó metálico.
• Electron Beam Melting (EBM), similar ao SLM, mas usando um feixe de elétrons em atmosfera inerte ou câmara de vácuo.
• Selective Laser Sintering (SLS), que usa materiais poliméricos em pó, pois o laser apenas sinteriza as partículas sem fundi‑las completamente.

Prevenindo Falhas na Impressão 3D

Em teoria, a manufatura aditiva de peças metálicas é equivalente às peças fundidas tradicionalmente. Na prática, podem ocorrer problemas, como poros ou “vazios”, superfícies ásperas e grandes respingos.

Essas questões estruturais podem levar à quebra das peças, algo inaceitável em aplicações críticas.

“Porque entendemos os mecanismos subjacentes, pudemos identificar mais rapidamente as condições de processamento corretas para produzir peças de alta qualidade usando o feixe em forma de anel.”

Lianyi Chen – Professor associado de engenharia mecânica na UW‑Madison

Feixe Laser em Forma de Anel

A primeira mudança que os pesquisadores fizeram em seu design de impressão 3D foi substituir o feixe laser usual por um feixe laser em forma de anel, fornecido por uma empresa de lasers chamada nLight, criando lasers semicondutores.

Fonte: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Essa forma diferente cria uma melhor circulação do metal fundido na poça de fusão como um todo e ondas menores na superfície do item recém‑criado. Os respingos também são menos grandes e viajam menos longe.

Fonte: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Correspondendo Modelo e Observações

Os pesquisadores confirmaram essas observações usando a instalação de raios X síncrotron de alta energia do Laboratório Nacional de Argonne. Eles a utilizaram para criar instantâneos de alta velocidade do processo de impressão 3D, permitindo verificar se seu modelo matemático simulava a realidade adequadamente.

Fonte: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Impressão 3D Mais Rápida

Os pesquisadores também conseguiram fazer o feixe em forma de anel perfurar mais profundamente no pó sem criar mais instabilidade. Isso resultou em camadas mais espessas sem enfraquecer o produto final.

Como a produção requer, em última análise, menos camadas, isso acelera a fabricação e aumenta a produtividade geral da máquina.

Exemplo de Fusão em Leito de Pó

Esse tipo de trabalho está longe de ser apenas uma demonstração acadêmica. Pode melhorar as máquinas de fusão em leito de pó já usadas na indústria. Um bom exemplo seria na aeronáutica, com o bocal de combustível do motor GE9X da General Electric (GE.TO ), usado nas aeronaves Boeing 777.

O GE9X é o maior motor turbo‑fan produzido, e o bocal fabricado aditivamente é cinco vezes mais durável que as versões anteriores.

Deve‑se notar que tais desenvolvimentos ainda são muito recentes, com o design do GE9X aprovado pela FAA somente em 2020.

Mesmo um processo de fusão em leito de pó de qualidade superior, bem como mais rápido, poderia melhorar ainda mais o design ao mesmo tempo em que reduz seus custos.

O Futuro da Impressão 3D?

Rumo à Dominação da Manufatura Avançada

Já discutimos anteriormente como a impressão 3D está se consolidando no futuro da manufatura.

Isso é verdade em manufatura avançada como implantes biomédicos ou aeronáutica. À medida que a qualidade das peças fabricadas aditivamente continua a melhorar, isso provavelmente se tornará o método dominante de fabricação em indústrias tão exigentes.

É provável que isso também se aplique à robótica, manufatura em órbita, ou até impressão 3D holográfica diretamente dentro de nossos corpos.

Rumo a Mais Aplicações

Outra mudança ocorrerá quando a impressão 3D se tornar mais barata.

Isso acontecerá em parte devido ao maior aproveitamento, já que a produção de mais impressoras 3D criará economias de escala e diminuirá os custos das máquinas e de suas matérias‑primas.

Outro fator será a melhoria da tecnologia. Ela pode otimizar o uso de matéria‑prima (reduzindo custos operacionais) ou produzir peças mais rapidamente (reduzindo custos de CAPEX).

Isso poderia incluir camadas mais espessas com lasers em forma de anel como neste estudo. Ou talvez usar 2 lasers simultaneamente. E ainda eletrônicos impressos em 3D para adicionar aos materiais e peças impressas em 3D.

Investindo em Impressão 3D

A impressão 3D está agora alcançando maturidade tecnológica, bem como consolidação de mercado. Isso oferece 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 das melhores corretoras nos Estados Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como em muitos outros países.

Se você não tem interesse em escolher empresas específicas de impressão 3D, também pode olhar para ETFs como o ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) para capitalizar o crescimento do setor de manufatura aditiva como um todo.

Ou consulte nossos artigos “Top 10 de Ações de Manufatura Aditiva e Impressão 3D para Observar”, e “Top 10 de Ações de Nanotecnologia”.

Empresa de Laser em Forma de Anel

Até agora, os vencedores na tecnologia de impressão 3D têm sido principalmente os fabricantes de impressoras 3D e os usuários finais. Os fabricantes das peças individuais das impressoras 3D são mais difíceis de investir, pois a maioria depende de componentes relativamente comoditizados, como lasers padronizados.

Este não é o caso da inovação discutida aqui, com lasers em forma de anel, um novo desenvolvimento que pode ter encontrado uma aplicação decisiva.

Os pesquisadores usaram um laser produzido pela nLight, mais precisamente o laser de fibra CW AFX1000.

A paleta versátil de configurações de feixe permite o processamento de todos os metais sem compromissos. Em corte, esses lasers de fibra fornecem qualidade de borda semelhante ao CO₂ para metais espessos e as vantagens de velocidade dos lasers de fibra para metais finos — tudo com a confiabilidade e baixo custo de propriedade dos lasers de fibra.

Este laser pode modificar a forma do anel para realizar impressões 3D mais finas ou geometrias complexas.

Fonte: Trokut Solutions

A empresa viu suas receitas crescerem de forma constante de 2016 a 2021, para então sofrer um declínio amplamente impulsionado pela queda nas vendas na China. Isso provavelmente está ligado ao aumento das tensões comerciais entre a China e o Ocidente, e à concorrência de produtores chineses de lasers.

Com atualmente 95 % dos clientes fora da China, isso provavelmente não continuará impactando a empresa no futuro.

Fonte: nLight

Os resultados mistos refletem essa mudança, com as vendas industriais caindo drasticamente em 2024, enquanto os segmentos de microfabricação e aeroespacial prosperaram.

Fonte: Trokut Solutions

O recente declínio nas vendas fez com que o fluxo de caixa operacional voltasse ao território negativo em 2024. Contudo, se a tendência de crescimento dos setores aeroespacial e de microfabricação/impressão 3D persistir, impulsionada pelo crescimento geral desses setores e pela vantagem tecnológica única da nLight, a nLight deverá retornar à lucratividade.

Referência do Estudo:

^{1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). Revelando os mecanismos de mitigação de defeitos de processamento na fusão a laser em leito de pó via feixes modelados usando imagens de raios X de alta velocidade. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232}