BR102022011299A2 - Método e aparato fabricação de objetos 3d cerâmicos e metálicos através de manufatura aditiva - Google Patents
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Abstract
método e aparato fabricação de objetos 3d cerâmicos e metálicos através de manufatura aditiva. a presente invenção trata-se de um método e produto industrial para fabricação de objetos 3d cerâmicos e metálicos através de manufatura aditiva com aplicação na área da mecânica, médica e odontológica. o produto permite a fabricação de objetos cerâmicos e metálico visando a utilização de impressão 3d de filamento para geração moldes colapsáveis de cerâmico e sinterização de pó cerâmico, metálico ou compósito proporcionando a obtenção de objetos 3d cerâmicos, metálicos ou compósitos com agilidade, baixo custo, baixo investimento e alta resistência.
Description
[001] A presente invenção refere-se á área de mecânica e diz respeito ao método e aparato para fabricação de objetos 3D cerâmicos e metálicos através de manufatura aditiva. Como principal apelo da tecnologia tem-se o aumento de resistência mecânica, melhoria condição de superfície, acabamento e dimensional de objetos 3d, além da aplicação de materiais cerâmicos e metálicos. O aumento destas características de forma automática proporciona competitividade, redução de tempo e custo de fabricação de objetos 3D, além do aumento da complexidade de geométrica e custo de desenvolvimento de produto. Pode-se também identificar que isto proporciona um atendimento de produção enxuta, reduzindo riscos de inovação, auxílio à manufatura e opção de produção em pequena escala para aplicações caseiras, assim como para as áreas médicas e odontológicas.
[002] Atualmente as tecnologias na área de manufatura aditiva e impressão 3D se tem restrições quanto à obtenção de objetos metálicos e cerâmicos. Observa-se claramente que de acordo com patentes US Pat. 20100163405 e USPat. 4863538A, as tecnologias atuais são baseadas em pó metálico ou pó cerâmico, apresentando um custo altíssimo, além de grandes restrições tecnológicas, como atmosfera controlada com gases inertes, controles de pressão e temperatura e lasers de alta potência.
[003] Por outro lado, tecnologias alternativas se utilizam de bicos com deposição de pastas de cerâmico, de acordo com patentes US Pat. 5216616; US Pat. 5340433. Neste princípio, a rugosidade, acabamento e homogeneidade ficam comprometidas, além de que há uma restrição de materiais para serem utilizados.
[004] . Neste processo, deposição de materiais termoplásticos ou pastas ocorrem através de um bico extrusor que aquece e funde o material enquanto se movimenta nos eixos do X e Y contornando e preenchendo a camada da peça previamente calculada, a qual, após ser completamente depositada ,numa plataforma, é movimenta para baixo, para permitir que se deposite a próxima camada sobre a recém depositada.
[005] Por outro lado, variações de Estereolitografia (SL) - (US Pat. 5344298) baseia- se em materiais fotopoliméricos (tais como acrílicos e epóxis) com carga de partículas cerâmicas, cujo funcionamento depende do movimento de um feixe de laser ou projetor sobre um recipiente inundado de material. Este feixe ou projetor percorre os eixos X e Y afim de construir a camada previamente criada e calculada computacionalmente. A plataforma que suporta a camada de material polimerizado inicial é abaixada para a construção da próxima camada sobre a anterior, após concluir a camada,.Ao final da construção de todas as camadas a peça sofre uma pós-polimerização em forno externo, onde o polímero é queimado gerando poros no objeto. Assim, a cerâmica porosa ganha resistência mecânica. Neste processo, o material apresenta altíssima porosidade, heterogeneidade, baixa resistência em relação à outros tipos de cerâmicos e contração superior a 20%. Notavelmente, os materiais cerâmicos utilizados nesta tecnologia são restritos, devido ao fato que o particulado em suspensão foto polimérica precipita e se acumula no fundo do reservatório de impressão durante ainda do processo de impressão.
[006] A descrição que se segue, assim como as figuras e exemplos associados, auxilia a compreensão desta invenção.
[007] A Figura 1 apresenta um esquemático exemplificativo o processo, onde o modelo 3D (1), que é obtido por escaneamento 3D sistema de desenho CAD, é manipulado computacionalmente de forma a gerar um modelo computacional do molde negativo (2). Por sua vez, este molde é fabricado através de técnicas de manufatura aditiva (3) através de filamentos preenchidos por 50 a 90% de Silicato de zircônia. O molde impresso em 3D (4) é preenchido por pó (5) ou pasta de material cerâmico/metálico ou compósito de forma a ser curado em forno. Desta forma, a granulometria dos grãos de pó (11) deve ser inferior a 100microns Na sequencia, o molde(4) preenchido com pó cerâmico (5) é submetido ao forno (6) com objetivo de queimar o plástico remanecente do molde (4) e transformar o pó cerâmico (5) em objeto sólido (8) onde os grãos de pó (5) são sinterizados e fundidos (10). Após o término da sinterização do material, o molde é quebrado de forma que o objeto metálico/cerâmico ou compósito (9) possa ser obtido.
[008] A Figura 2 apresenta um diagrama com a curva de aquecimento e resfriamento do forno(6) para geração dos sólido sinterizado (8). Nesta curva, observa-se que T2 é a temperatura de queima do plástico ligante do molde impresso em 3D (4) e pré sinterização do molde (4). Na sequencia, o forno (6) é aquecido até a temperatura de sinterização (T1) do pó cerâmico/metálico (5) e mantido durante um tempo de sinterização (t). Este tempo é maior para espessuras maiores de material. Por fim, o forno (6) é esfriado a uma taxa de resfriamento baixa, equivalendo a um processo de recozimento.
[009] A Figura 3 apresenta um diagrama de contorno onde as combinações de temperatura de sinterização e tempo de sinterização permitir identificar faixas de temperatura viáveis e não viáveis (12) para a fabricação de objetos vitro-cerâmicos sem distorção geométrica e com resistência mecânica a flexão superior a 100Mpa. Nas regiões não viáveis (12), o objeto não tem sinterização completa, ou apresenta deformação excessiva. Já entre regiões viáveis , pode-se identificar uma região de densificação(14) onde há o material apresenta grande crescimento dos grãos sinterizados, baixa rugosidade e transparência. Em contraste, a região de sinterização rápida (13) apresenta alta resistência, baixo crescimento de grão e superfície rugosa e porosa.
[0010] A Figura 4 apresenta uma tabela com faixas de viabilidade de materiais e contemplados nesta invenção. Indica-se que os cerâmicos infiltrados apresentam faixa de temperatura de sinterização entre 500 e 800 °C, enquanto os vidros apresentam faixa entre 600 e 1200°C. Os materiais cerâmicos apresentam faixa de sinterização entre 750 e 2000°C enquanto os metais de Ligas não ferrosa, como Níquel, Estanho, alumínio, amalgama, cobre, zinco, latão, entre outras, apresentam faixa de sinterização entre 350 e 1200°C. Por fim as liga ferrosas apresentam faixa de sinterização entre 850 e 2000°C.
[0011] A Figura 5 apresenta uma representação de um molde casca com elementos de fabricação chamados canais de alimentação (15) e respiros (16). Neste caso, os canais de alimentação (15) é o meio por onde é possível inserir pó metálico, cerâmico, vitro- cerâmico ou metalo-cerâmico, de forma que esse canal seja fechado por um tampo ao final da etapa de preenchimento. Já os canais de respiro ou simplesmente respiros(16) são artifícios que permitem que o ar aprisionado dentro do molde e entre cada um dos grãos de pó de material escape, garantindo que a fabricação do objeto tenha alta densificação e não apresente bolhas ou falhas de preenchimento.
[0012] A Figura 6 apresenta um exemplo de criação de arvore de fabricação onde é possível fabricar múltiplas peças em um único molde de casca. Cada molde de casca de uma árvore de fabricação é constituído 1 canal de alimentação central ramificado em por canais de alimentação (17), permitindo que o pó de material seja transportado para cada um dos objetos (19) a serem fabricados. Pode-se também indicar que cada um dos objetos (19) pode apresentar canais de respiro (18) que se unem em um respiro central. Com isto, é possível garantir conformidade e repetibilidade de fabricação com alta densificação e sem falhas para cada um dos objetos fabricados.
[0013] A Figura 7 apresenta um exemplo do processo de criação de casca através de offset de superfície externa do objeto (20). Neste caso, o afastamento de superfície ou superfície de offset (21) gera uma geometria que envolve o objeto. Utilizando a união entre a superfície de offset (21) e o objeto (20) é possível criar a geometria do molde em casca (23).
[0014] A Figura 8 apresenta a proposta de concretização da invenção através de sistemas independentes “Standalone” composto por Sistema de acquisição de modelos 3D ou escâner 3D( 25) , Sistema computacional (24), Material, sistema de fabricação de cascas(26) e sistema de sisterização (27).
[0015] A Figura 9 apresenta um diagrama de comparação entre a resistência mecânica dos objetos fabricados pela presente invenção em relação aos processos tradicionais.
[0016] A presente invenção tem como objetivo notadamente proporcionar a fabricação de objetos cerâmicos e metálicos de alta performance e baixo custo pois o método se baseia em 4 etapas de fabricação. A primeira etapa consiste no preparo computacional do modelo tridimensional (3D), gerando o modelo 3D de molde em forma de casca com canais de alimentação e canal de respiro. A segunda etapa consiste na fabricação de colapsável resistente a altas temperaturas é fabricado camada por camada através de filamentos de compósito de termoplástico e dissilicato de zircônia. Após esta etapa, o molde é preenchido por pó de cerâmico, metal ou vidro, sendo levado ao forno para sinterização do material em pó. Por fim, o conjunto de molde preenchido é quebrado (colapsado) de forma que o material dentro do molde possa ser removido.
[0017] Pode-se indicar que esta invenção necessita de recursos computacionais, otimização de processo e materiais para que seja possível alcançar o objetivo proposto.
[0018] No quesito computacional, faz-se necessário que um modelo tridimensional (3D) seja convertido para arquivo de malha triangular. Neste processo, deve-se incluir canais de respiro e canais de alimentação de material. Desta forma, sendo possível que o material em forma de pó preencha o interior no molde após a fabricação da molde colapsável.
[0019] Pode-se também agrupar diversos objetos de forma que o canal de alimentação e respiro conecte cada um, formando uma arvore de fabricação.
[0020] Após o preparo do modelo com canais de alimentação, um processo computacional cria um modelo 3D de molde em forma de casca. Esta casca é formada por um afastamento normal da peça (offset) de forma que a união entre a superfície do objeto e a superfície de afastamento criem uma casca externa. Desta forma, a geometria original do modelo 3D fica negativa ao molde em forma de casca.
[0021] Após a criação do molde em forma de casca, o sistema computacional realiza um fatiamento do modelo 3D do molde de forma a ser gerada perfis de camada de acordo
[0022] Na segunda etapa, o molde em casca é fabricado camada por camada em material compósito de plástico e cerâmico. Este material é composto por termoplástico e dissilicato de zircônia em formato de filamento.
[0023] O processo de fabricação consiste em um sistema que traciona o filamento de compósito para dentro de uma cabeça de extrusão que aquece o filamento de forma que seja possível depositar o material derretido em cima de uma plataforma ou em cima da camada anterior. Desta forma, o material é depositado enquanto um sistema robótico movimenta a cabeça de extrusão de forma que seja possível criar o perfil de camada. Após o término da camada, a plataforma de construção se movimenta para baixo de forma que seja possível o inicio da nova camada.
[0024] Nota-se que durante o processo de deposição de material, o material recebe energia de ativação proveniente de um sistema de projeção UV.
[0025] Desta forma, o processo de extrusão consiste em extrusão de material compósito que é derretido na cabeça de extrusão, solidificando de forma concomitante à incidência de energia UV. Desta forma, o plástico presente no compósito inicia processo de degradação enquanto o cerâmico inicia processo de ativação e pré- sinterização.
[0026] Após a criação da casca fabricada por compósito cerâmico, o pó de material de base do objeto é envazado dentro da casca, preenchendo o espaço vazio (negativo) do molde em casca. Neste caso, o material de base pode ser de cerâmico, vitro-cerâmico, cerâmico amorfo, metálico, vitro-metálico e metalocerâmico. Adicionalmente, o detalhamento de geometria também depende do tamanho de grão do pó a ser preenchido na casca.
[0027] A casca preenchida com material de base é, então, sinterizado em forno de acordo com rampa de temperatura com pelo menos 2 estágios: debinding (queima de material orgânico) e sinterização. Um exemplo de curva de temperatura é apresentado na Figura 2.
[0028] Por fim, a casca preenchida com material já sinterizado é quebrada ou colapsada de forma que seja possível remover o objeto final.
[0029] Entre outras características desta invenção estão: grande variedade de materiais metálicos e cerâmicos ; fabricação robusta em ambiente não controlado; baixo custo de equipamento; baixo custo de matéria prima; capacidade de fabricação de objetos complexos; fabricação de mesoestruturas, lattices e scaffolds.
[0030] Com objetivo de concretizar esta invenção, foi desenvolvido e validado um sistema com módulos individualizados “stand-alone” composto por: sistema computacional, material, sistema de fabricação de casca (shellmaker) e forno de sinterização.
[0031] Desta forma, todas as 4 etapas contempladas no processo de criação de objetos em materiais avançados (cerâmico, vitro-ceâmico, metálico, vitrometálico, metalo- cerâmico) são atendidos, conforme apresentado na Figura 7.
[0032] Notavelmente, as características e propriedades mecânicas obtidas em objetos fabricados por essa presente invenção são relevantementes superiores às dos processos convencionais tradicionais, alcançando valores equivalentes a de processos muito mais caros (CAD-CAM ZTC), conforme apresentado na Figura 8. Notavelmente, mesmo alcançando tal resultado de resistência o custo de fabricação é aproximadamente 20 vezes menor que processos convencionais, além de o tempo de fabricação ser até 7 vezes menor.
Claims (8)
1. MÉTODO E APARATO FABRICAÇÃO DE OBJETOS 3D CERÂMICOS E METÁLICOS ATRAVÉS DE MANUFATURA ADITIVA, caracterizado por moldes impressos em 3D (4) por filamento compostos por silicato de zircônia a partir de modelos 3D (1) preenchimento de negativo do molde (4) por pó de preenchimento cerâmico (5), sinterização em forno em temperatura controlada (6), e quebra do molde para remoção do objeto (9) após término de sinterização.
2. MÉTODO E APARATO FABRICAÇÃO DE OBJETOS 3D CERÂMICOS E METÁLICOS ATRAVÉS DE MANUFATURA ADITIVA, de acordo com reinvidicação 1, caracterizado por pó de preenchimento (5) ser de origem metálica, vitro metálica, vitro cerâmica, semicondutores ou metalocerâmica.
3. MÉTODO E APARATO FABRICAÇÃO DE OBJETOS 3D CERÂMICOS E METÁLICOS ATRAVÉS DE MANUFATURA ADITIVA, de acordo com reinvidicação 1, caracterizado por faixa temperatura de sinterização de pó preenchimento estar entre 500 e 1200 °C .
4. MÉTODO E APARATO FABRICAÇÃO DE OBJETOS 3D CERÂMICOS E METÁLICOS ATRAVÉS DE MANUFATURA ADITIVA, de acordo com reinvidicação 1, caracterizado por faixa tempo de sinterização de pó preenchimento estar entre 30 e 10 horas
5. MÉTODO E APARATO FABRICAÇÃO DE OBJETOS 3D CERÂMICOS E METÁLICOS ATRAVÉS DE MANUFATURA ADITIVA, de acordo com reinvidicação 1, caracterizado por material e impressão de molde colapsável (4) ser de composto por termoplástico e 50 a 90% de silicato de zircônia .
6. MÉTODO E APARATO FABRICAÇÃO DE OBJETOS 3D CERÂMICOS E METÁLICOS ATRAVÉS DE MANUFATURA ADITIVA, de acordo com reinvidicação 1, caracterizado por material e impressão de molde colapsável (4) ser de composto por termoplástico e 50 a 90% de material cerâmico.
7. MÉTODO E APARATO FABRICAÇÃO DE OBJETOS 3D CERÂMICOS E METÁLICOS ATRAVÉS DE MANUFATURA ADITIVA, de acordo com reinvidicação 1, caracterizado por material e impressão de molde colapsável (4) ser de composto por termoplástico e 50 a 90% de material metálico.
8. MÉTODO E APARATO FABRICAÇÃO DE OBJETOS 3D CERÂMICOS E METÁLICOS ATRAVÉS DE MANUFATURA ADITIVA, de acordo com reinvidicação 1, caracterizado por material e impressão de molde colapsável (4) ser de composto por material fotopolimerizavel e 50 a 90% de material cerâmico ou metálico.
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2022
- 2022-06-09 BR BR102022011299-1A patent/BR102022011299A2/pt unknown
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