BR112015012127B1 - Método para fabricar uma peça por fusão seletiva ou sinterização seletiva de leitos de pó por feixe de energia elevada - Google Patents

Abstract

MÉTODO DE FABRICAÇÃO PARA FABRICAR UMA PARTE POR FUNDIÇÃO SELETIVA OU SINTERIZAÇÃO SELETIVA DE LEITOS DE PÓ POR FEIXE DE ENERGIA ELEVADA A invenção refere-se a um método de fabricação ára fabricar uma parte por fundição seletiva ou sinterização seletiva de leitos de pó por feixe de alta energia, o método compreendendo as seguintes etapas: a) prover um material na forma de partículas de pó (60); b) depositar uma primeira camada de pó (10) em um suporte (80); c) fazer a varredura de pelo menos uma região de dita primeira camada (10) com feixe (95), a fim de aquecer o pó de dita região localmente a uma temperatura mais elevada do que a temperatura de sinterização do pó, de modo que as partículas de dito pó quando fundidas ou sinterizadas desta maneira em dita região formem pelo menos um primeiro elemento de peça única (15); d) colocar uma segunda camada de pó (20) em dita primeira camada de pó (10); e) fazer a varredura de pelo menos uma região de dita segunda camada (20) com o feixe (95), a fim de aquecer o pó desa região a uma temperatura mais elevada do que a temperatura de sinterização do pó, de modo que as partículas de pó quando (...).

Description

[001] A presente invenção refere-se ao campo de fabricação de peças, empregando-se um feixe de energia elevada (feixe de laser, feixe de elétrons, ...), para seletivamente fundir ou seletivamente sinterizar leitos de pó.

[002] Em particular, a presente invenção refere-se à fabricação de peças metálicas, intermetálicas, cerâmicas ou poliméricas.

[003] Mais particularmente, a invenção refere-se a um método para fabricar uma peça por fusão seletiva de leitos de pó por feixe de alta energia, o método compreendendo as seguintes etapas: a) prover um material na forma de partículas de pó; b) depositar uma primeira camada de pó do material em um suporte de construção (o suporte pode ser sólido, uma porção de outra peça ou uma grade de suporte usada para facilitar a construção de certas peças); c) fazer a varredura de pelo menos uma região da primeira camada com o feixe, a fim de aquecer o pó desta região localmente a uma temperatura mais elevada do que a temperatura de sinterização do pó, de modo que as partículas do pó, quando sinterizadas ou fundidas desta maneira, formem pelo menos um primeiro elemento de peça única; d) colocar uma segunda camada de pó do material sobre a primeira camada de pó; e) fazer a varredura de pelo menos uma região da segunda camada com o feixe, a fim de aquecer o pó desta região a uma temperatura mais elevada do que a temperatura de sinterização do pó, de modo que as partículas de pó, quando sinterizadas ou fundidas desta maneira, formem pelo menos um segundo elemento de peça única (em geral esta região da segunda camada é situada, em parte ou completamente, sobre a região da primeira camada, que foi escaneada pelo feito na etapa c), de modo que as partículas de pó fundidas ou sinterizadas na etapa c) e na etapa e), juntas, formem uma única peça; contudo, em certas circunstâncias, em particular para fabricar porções de uma peça com rebaixo, a região da segunda camada não é situada sobre a região da primeira camada, que foi escaneada pelo feixe da etapa c) e as partículas de pó fundidas ou sinterizadas na etapa c) e na etapa e), então, não formam uma unidade de peça única; e, f) repetir as etapas d) e e) para cada nova camada de pó a ser colocada sobre uma camada precedente, em que pelo menos uma região já foi fundida ou sinterizada, até a peça ter sido completamente formada.

[004] A invenção refere-se em particular à rápida fabricação de peças por fusão seletiva de leitos de pó utilizando-se um laser.

[005] A fusão de laser seletiva (SLM) é um método tendo as principais características que são lembradas abaixo, com referência à Figura 1.

[006] Uma primeira camada 10 de pó de um material é depositada em um suporte de construção 80, p. ex., por meio de um cilindro 30 (ou qualquer outro meio de deposição), o pó sendo tirado de um depósito de alimentação 70 durante um movimento de ida do cilindro 30 e então é raspado e, possivelmente, um pouco compactado, durante um (ou mais) movimentos de retorno do cilindro 30. O pó é composto de partículas 60. O pó em excesso é recuperado em um depósito de reciclagem 40, situado adjacente ao depósito de construção 85, em que o suporte de construção 80 move-se verticalmente.

[007] Em seguida, uma região desta primeira camada 10 de pó é levada para uma temperatura mais elevada do que a temperatura de fusão TF do pó (temperatura liquidus) escaneando-se com um feixe de laser 95.

[008] O método SLM pode usar qualquer feixe de energia elevada, em vez do feixe de laser 95, desde que o feixe tenha suficiente energia para fundir as partículas de pó e uma porção do material sobre o qual as partículas repousam (também referido como a zona diluída formando uma porção integral da cavidade de líquido).

[009] Esta varredura laser pode ser realizada, por exemplo, por uma peça formando uma cabeça de galvanômetro de um sistema de controle 50. Como exemplo e em maneira não limitativa, o sistema de controle pode compreender pelo menos um espelho dirigível 55, sobre o qual o feixe de laser 95 é refletido antes de alcançar uma camada de pó tendo todos os pontos em sua superfície situados na mesma altura relativa à lente focalizante contida no sistema de focalização 54, a posição angular do espelho sendo controlada por uma cabeça de galvanômetro, de modo que o feixe de laser escaneie pelo menos uma região da primeira camada de pó e, assim, siga um perfil pré- estabelecido de uma peça. Para esta finalidade, a cabeça de galvanômetro é controlada com base na informação contida em uma base de dados da ferramenta de computador usada para projeto assistido por computador e manufatura da peça que é para ser fabricada.

[0010] Assim, as partículas de pó 60 desta região da primeira camada 10 são fundidas e formam um primeiro elemento de peça única 15, que é preso ao suporte de construção 80. Neste estágio, é também possível utilizar o feixe de laser para varrer uma pluralidade de regiões independentes da primeira camada, de modo que, após o material ter fundido e solidificado, uma pluralidade de primeiros elementos mutuamente separados 15 é formada.

[0011] O suporte 80 é abaixado através de uma altura correspondendo à altura já definida para a primeira camada (situando-se na faixa de 20 micrômetros (µm) a 100 µm, e geralmente na faixa de 30 µm a 50 µm). A espessura da camada de pó para fusão ou consolidação permanece em um valor que pode variar de uma camada para outra, uma vez que ele depende fortemente da porosidade do leito de pó e de sua planura, enquanto que o movimento pré-programado do suporte 80 é um valor que não varia, ignorando-se a folga. Deve ser lembrado que a espessura da camada para fusão ou consolidação é com frequência tanto quanto 50% maior do que o movimento do suporte 80, exceto quanto à primeira camada, se a superfície do suporte 80 for precisamente paralela ao eixo geométrico do cilindro 30.

[0012] Em seguida, uma segunda camada de pó 20 é depositada sobre a primeira camada 10 e sobre o primeiro elemento de peça única ou consolidado 15 e então uma região da segunda camada 20 é aquecida ao ser exposta ao feixe de laser 95, a região aquecida pode ser situada no total ou em parte sobre o primeiro elemento de peça única ou consolidado 15, como mostrado na Figura 1, de modo que as partículas de pó desta região da segunda camada 20 derretem-se junto com pelo menos uma porção do primeiro elemento 15, a fim de formar um segundo elemento de peça única ou consolidado 25, com estes dois elementos 15 e 25, juntos, formando um bloco de peça única no exemplo mostrado na Figura 1. Para esta finalidade, o segundo elemento 25 está vantajosamente já completamente unido, logo que o segundo elemento 25 fique unido ao primeiro elemento 15.

[0013] Pode ser entendido que, dependendo do perfil da peça a ser construída e, em particular, se houver uma superfície rebaixada, pode acontecer que a região acima mencionada da primeira camada 10 não se situe, mesmo em parte, sob a região acima mencionada da segunda camada 20, de modo que, sob tais circunstâncias, o primeiro elemento consolidado 15 e o segundo elemento consolidado 25 então não formam um bloco de peça única.

[0014] Este processo de construir a peça camada por camada é então continuado adicionando-se outras camadas de pó à unidade que já foi formada.

[0015] A varredura com o feixe de laser 95 torna possível construir cada camada enquanto dando-lhe um formato que corresponde ao formato da peça a ser produzida. As camadas inferiores da peça esfriam mais ou menos rapidamente que as camadas superiores da peça que estão sendo construída.

[0016] A invenção também se refere à rápida fabricação de peças sem fusão, isto é, por sinterização seletiva de leitos de pó por laser. A sinterização de laser seletiva (SLS) especifica um método que é similar ao SLM, exceto que no SLS o pó é elevado a uma temperatura que é menor do que a temperatura de fusão TF do pó (temperatura liquidus), a uma temperatura que é mais elevada do que a temperatura solidus, porém menor do que a temperatura liquidus, com sinterização ocorrendo na fase líquida, com o material fundindo em parte (material em um estado pastoso com fases sólida e líquida coexistindo), ou então esta temperatura é menor do que a temperatura solidus, porém superior a 0,5 TF e a sinterização é sinterização de fase sólida (todo o material é sólido e a sinterização ocorre essencialmente por difusão na fase sólida).

[0017] A fim de reduzir contaminação da peça, p. ex., contaminação por oxigênio dissolvido, por óxido(s) ou por algum outro contaminante, enquanto a peça está sendo fabricada camada por camada como descrito acima, esta fabricação necessita ser realizada em um recinto tendo umidade controlada e adaptado ao processo e o material envolvido sendo enchido com um gás que é inerte (não reativo) em relação ao material em questão, tal como nitrogênio (N2), argônio (Ar) ou hélio (He), opcionalmente com uma pequena quantidade de hidrogênio (H2) sendo adicionada para sua força redutora. Uma mistura de pelo menos dois destes gases pode também ser considerada. A fim de evitar contaminação, em particular por oxigênio do meio circundante, é prática comum assegurar que o recinto esteja em uma pressão mais elevada do que a atmosférica.

[0018] Assim, no presente estado da técnica, fusão seletiva ou sinterização seletiva por laser torna possível, com boa precisão dimensional, construírem-se peças tendo pouca poluição e de formato tridimensional, que podem ser complexas, porém de resistência mecânica que não é ainda suficiente para certas aplicações e para as quais é necessário obter-se melhor otimização do método.

[0019] A fusão seletiva ou sinterização seletiva por laser também preferivelmente faz uso de pós de morfologia esférica, que são limpos (isto é, não contaminados por elementos residuais vindos da preparação do pó), muito finos (a dimensão de cada partícula reside na faixa de 1 µm a 100 µm e, preferivelmente, na faixa de 1 µm a 50 mm ou, na realidade, na faixa de 1 µm a 20 µm), desse modo tornando possível obter-se um excelente estado de superfície para a peça acabada.

[0020] A fusão seletiva ou sinterização seletiva por laser também torna possível reduzir os tempos de fabricação, custos e despesas fixas, em comparação com uma peça que é feita por moldagem, injeção, forja ou usinagem de sólido.

[0021] As peças feitas por fusão seletiva ou sinterização seletiva por laser, contudo, apresenta desvantagens.

[0022] A peça ainda fica contaminada com demasiado oxigênio ou qualquer outro contaminante, mesmo quando etapas são realizadas para encher o recinto de fabricação (compreendendo o depósito de construção 85, o depósito de alimentação 70 e o cilindro 30, ou outro dispositivo de deposição) com um gás que seja inerte (não reativo) para o material em questão. É difícil extrair todo o oxigênio do recinto e, além disso, os gases usados não são nunca 100% puros. Esta contaminação resulta no material constituindo a peça sendo tornado quebradiço e/ou endurecido e/ou oxidado, dando origem a uma redução da ductilidade da peça e a prematura ruptura da peça.

[0023] Poros absorvidos de gás podem também formar-se na peça, oriundos primeiramente da diferença de solubilidade do o gás inerte entre o material (o pó) na fase líquida e o material na fase sólida, particularmente quando a cavidade é rica em inclusões atuando como sementes para a formação de poros de gás, quando a faixa de solidificação da liga é grande, quando alternativamente a cavidade e o tempo de solidificação são grandes, quando a taxa de solidificação da cavidade de líquido é rápida e também quando as partículas de pó podem também previamente conter gás absorvido. Estes poros fechados de formato esférico contribuem para reduzir as propriedades mecânicas da peça.

[0024] A Figura 2 mostra poros esféricos indesejáveis, que se formam dentro da peça como-fabricada (especificamente feita de Inconel 718), quando usando-se o método de fusão a laser seletivo da técnica anterior (esta imagem foi obtida observando-se o material com um microscópio eletrônico de varredura, usando-se elétrons secundários e após polir o material.

[0025] A Figura 3 mostra os poros de gás absorvidos, formados a montante dentro das partículas de pó, p. ex., quando as partículas são obtidas por atomização do gás (esta imagem foi obtida observando-se o pó usando-se um microscópio óptico e após polimento e cauterização química).

[0026] Quando o método da técnica anterior de fusão a laser seletivo é usado, uma película de óxido também se forma dentro de tais poros, como mostrado em duas vistas micrográficas das Figuras 4A e 4B, que mostram a superfície que é obtida após ruptura em uma liga AlSi10Mg.

[0027] Além disso, a presença de interstícios enchidos de gás entre as partículas de pó encoraja o material a ser ejetado sob o feixe de laser, durante a fusão seletiva do leito de pó, e isso é preocupante para produzir camadas de pó e para reciclar o pó. Tais ejeções de material são com frequência na forma de grandes gotas (muito maiores do que as partículas e, possivelmente, mesmo maiores do que a espessura do leito de pó) que fica soldado à superfície do material fundido, desse modo impedindo que a camada seguinte seja colocada em posição e resultando em defeitos de fabricação. As Figuras 5A, 5B e 5C mostram estes glóbulos 62 presentes na superfície de uma camada que acabou de ser fabricada. Estes glóbulos 62 apresentam um diâmetro de mais do que 200 µm, isto é, um tamanho que é de cerca de dez vezes maior do que o tamanho das partículas de pó não fundidas 60, algumas das quais também permanecendo presentes na superfície de uma camada que acabou de ser fabricada, como pode ser visto nas Figuras 5A, 5B e 5C.

[0028] Pode às vezes mesmo acontecer que estes grandes glóbulos aterrissem no leito de pó, em uma região que não foi ainda fundida, ou no depósito de reciclagem, tornando necessário que o fabricante peneire o pó recuperado, a fim de eliminar quaisquer grandes glóbulos, na preparação para subsequente fabricação.

[0029] Quando se utiliza sinterização seletiva dos leitos de pó por feixe de energia elevada, os problemas acima descritos podem ser encontrados, pelo menos em parte, quando a sinterização é sinterização de fase líquida, com o material fundindo em parte. Além disso, sob tais circunstâncias e quando realizando sinterização de fase sólida, obter-se uma peça que seja tão compacta quanto possível, isto é, obtida por densificação eficaz do material, requer condições que sejam favoráveis à difusão do material e, em particular, mantenham uma temperatura mais elevada do que a temperatura de sinterização mínima, por um período de tempo relativamente longo.

[0030] Um objetivo da presente invenção é prover um método de fabricar uma peça por fusão seletiva ou sinterização seletiva de leitos de pó por feixe de energia elevada, que torne possível superar as desvantagens da técnica anterior.

[0031] Este objetivo é alcançado pelo fato de que o pó tem uma distribuição de tamanho de grão que é multimodal.

[0032] Na invenção, o pó usado não apresenta uma distribuição de tamanho de grão que seja monomodal, como a distribuição de tamanho de grão de um pó convencional, que é geralmente do tipo Gaussiano (deve ser lembrado que a compactação das partículas de pó comprimidas aumenta quando a distribuição tipo Gaussiana de seus tamanhos de partícula torna-se mais larga).

[0033] Por meio da invenção, o número de coordenação e a compactação (ou densidade relativa) do leito de pó são aumentados por sua porosidade sendo diminuída de maneira ótima, com isto ocorrendo antes de o material ser fundido ou sinterizado e solidificado.

[0034] É assim possível produzir um leito de pó que seja muito mais compacto antes da fusão ou sinterização.

[0035] Isto resulta em menores interstícios estando presentes entre as partículas antes de elas fundirem-se e a um menor volume de gás que poderia ser captado durante a fusão ou sinterização das partículas de pó sob um feixe de laser.

[0036] Como resultado, segue-se primeiramente que o fenômeno do gás se tornando captado dentro do material fundido ou sinterizado é reduzido e, em segundo lugar, que o fenômeno do material ser ejetado sob o feixe de laser é diminuído, desse modo consequentemente reduzindo-se defeitos de fabricação (exceto poros absorvidos de gás), assim melhorando-se a qualidade metalúrgica, a qualidade dimensional e a resistência mecânica da peça.

[0037] A solução da invenção assim torna possível reduzir muito significativamente o número de poros e de defeitos formados e também seu tamanho na peça obtida por fusão seletiva ou sinterização seletiva de leitos de pó por feixes de energia elevada e, assim, contribui grandemente para melhorar as propriedades mecânicas da peça.

[0038] Além disso, a produtividade do método é aumentada porque o leito de pó é mais compacto, outras coisas sendo iguais. Especificamente, há menos contração de material após consolidação. Além disso, em razão das ejeções de material sob o feixe de alta energia serem reduzidas, não é mais necessário limitar correspondentemente a velocidade de varredura do mais elevado feixe de energia.

[0039] Igualmente, o pó mais compacto torna possível obter-se uma peça que é mais compacta em tempo que é mais curto, em particular quanto a sinterização seletiva de leitos de pó, quer em fase líquida ou, acima de tudo, quando a sinterização é em fase sólida.

[0040] Além disso, vantajosamente entre as etapas a) e b), o pó do depósito de alimentação 70 é continuamente pré-aquecido a uma temperatura de pré-aquecimento TPe um gás inerte é obrigado a fluir, preferivelmente para cima, através do pó (comparável a um leito fluidizado) a fim de reduzir a umidade do ar adsorvido nas superfícies das partículas de pó.

[0041] Outras vantagens e características da invenção surgem na leitura da seguinte descrição, feita como exemplo e com referência aos desenhos acompanhantes, em que:

[0042] A Figura 1 é um diagrama para explicar o método da técnica anterior e mostrando o dispositivo usado;

[0043] A Figura 2 mostra os poros esféricos que se formam dentro do material como fabricado, quando se utiliza o método da técnica anterior;

[0044] A Figura 3 mostra os poros de gás absorvido, que se formam dentro das partículas de pó obtidas por atomização de gás;

[0045] As Figuras 4A e 4B mostram a película de óxido que se forma dentro dos poros dentro do material fundido, quando se utiliza o método da técnica anterior de fusão seletiva por laser;

[0046] As Figuras 5A, 5B e 5C, descritas acima, são em diferentes escalas e mostram os glóbulos que são formados por material sendo ejetado da superfície do material fundido e solidificando-se, os glóbulos sendo mostrados em comparação com as partículas de pó usadas inicialmente;

[0047] A Figura 6 é um diagrama representando uma distribuição de tamanho de grão monomodal de um pó com sua curva de fração volumétrica cumulativa (FCV) associada; e,

[0048] As Figuras 7 e 8 são diagramas de uma distribuição de tamanho de partícula bimodal de um pó adequado para uso no método de fabricação da invenção, em duas diferentes circunstâncias.

[0049] O dispositivo da invenção compreende um depósito de alimentação 70, contendo o pó de um material, um cilindro 30 para transferir o pó do depósito 70 e espalhar uma primeira camada 10 do pó sobre um suporte de construção 80 (que pode ser um suporte sólido, uma porção de outra peça, ou uma grade de suporte usada para facilitar a construção de certas peças).

[0050] Vantajosamente, o dispositivo também tem um depósito de reciclagem 40 para recuperar pó compreendendo uma minúscula fração de pó que foi usada (em particular pó que não fundiu e que não foi sinterizado), alguns glóbulos grandes, que foram ejetadas da camada precedente e uma fração maior de pó que estava em excesso após a camada de pó ter sido espalhada sobre o suporte de construção 80. Assim, a fração maior do pó dentro do depósito de reciclagem é composta de um pó novo. O depósito de reciclagem 40 é com frequência comumente referido como o depósito de extravasamento ou cinzeiro.

[0051] O dispositivo também tem um gerador 90 para gerar um feixe de laser 95 e um sistema de controle 50 para apontar o feixe 95 em qualquer região do suporte de construção 80, a fim de varrer qualquer região da camada de pó. A conformação do feixe de laser e a variação de seu diâmetro no plano focal são realizadas respectivamente por meio de um expansor de feixe 52 e por meio de um sistema de focalização 54, que, juntos, constituem o sistema óptico.

[0052] Este dispositivo para aplicar o método SLM ou SLS em um pó pode utilizar qualquer feixe de alta energia, em vez do feixe de laser 95, desde que o feixe tenha suficiente energia para fundir ou para formar estreitamentos ou pontes entre partículas de pó e uma porção do material em que as partículas repousam.

[0053] O cilindro 30 pode ser substituído por qualquer outro sistema de colocação, tal com um distribuidor (ou tremonha) associado com uma pá raspadora, uma faca ou uma escova, adequado para transferir e espalhar o pó e camadas.

[0054] Como exemplo não limitante, o sistema de controle 50 compreende pelo menos um espelho dirigível 55, e que o feixe de laser 95 é refletido antes de alcançar uma camada de pó tendo cada ponto em sua superfície situado na mesma altura relativa à lente de focalização contida no sistema de focalização 54, a posição angular do espelho 55 sendo controlada por uma cabeça galvanométrica, de modo que o feixe de laser varra pelo menos uma região da primeira camada de pó, enquanto também seguindo um perfil de peça pré-estabelecido.

[0055] Em esboço, é feito uso de gerador de laser 90, de um sistema para ajustar o diâmetro do feixe de laser, também referido como um expansor de feixe 52 de um sistema para varrer o feixe de laser, também referido como um escâner 56, e de um sistema para focalizar o feixe de laser 54. O expansor de feixe 52 é feito de um conjunto de lentes que são presas entre si, a fim de fazer com que o diâmetro (F) da fibra óptica mude para o diâmetro (D>F) do feixe de laser que alcança a lente de focalização. O sistema de focalização para focalizar o feixe de laser de diâmetro (D) é constituído por uma lente de focalização, caracterizada por um comprimento focal (f) que faz com que o diâmetro (D) do feixe de laser mude para o diâmetro (d<D) no plano focal definido pela superfície do suporte de construção 80 ou da superfície do leito de pó.

[0056] Na invenção, é feito uso de um pó 60 feito de partículas tendo uma distribuição de tamanho de grão que não é monomodal, isto é, que não é centrada em um único valor de diâmetro médio, porém, mais propriamente, que é multimodal, isto é, que é centrada em mais do que um único valor de diâmetro médio, isto é, em uma pluralidade de valores de diâmetro médio.

[0057] A expressão “tamanho médio” ou “diâmetro médio”, no presente pedido de patente, é usada para significar o diâmetro médio d50%, isto é, o diâmetro que corresponde a 50% do volume cumulativo ou do peso cumulativo das partículas de pó apresentando um tamanho menor do que este valor de diâmetro médio d50% e 50% em volume cumulativo ou em peso cumulativo das partículas de pó apresentando um tamanho maior do que este valor de diâmetro médio d50%, como pode ser visto na Figura 6, que é um diagrama plotando uma curva de distribuição de tamanho de grão monomodal 100 de um pó (tamanho de partícula d em micrômetros), junto com a curva de fração volumétrica cumulativa associada 110. Os diâmetros d0%, d10%, d50%, d90% e d100%, como usados no texto abaixo, são marcados nesta curva de distribuição de tamanho de grão monomodal 100.

[0058] Deve ser observado que qualquer outro diâmetro médio para uma dada distribuição de tamanho de partícula obtida usando-se qualquer outra técnica de caracterização poderia ser usada no contexto da presente invenção.

[0059] Em uma provisão que é preferida e vantajosamente a menos dispendiosa, o pó do material tem uma distribuição de tamanho de grão que é bimodal, isto é, composta de duas distribuições de tamanho de partícula, com a distribuição de tamanho de grão do pó então sendo centrada em torno de dois valores de diâmetro mediano ou médio d50%.

[0060] A distribuição de tamanho de grão bimodal do pó como um todo é assim a soma de duas distribuições de tamanho de grão desconvolutas, cada uma delas sendo caracterizada por um tamanho médio e um interstício de tamanho definido por d90% - d10% ou, preferivelmente, d100% - d0%. Deve ser lembrado que o interstício de uma distribuição de tamanho de grão é mais usualmente quantificado usando-se um coeficiente de uniformidade Cu, que é definido para uma distribuição de tamanho de volume em uma largura dividida pelo diâmetro médio, isto é, Cu = (d90% - d10%)/d50%.

[0061] Estas duas distribuições individuais podem sobrepor-se em uma maior ou menor extensão, mas é preferível na invenção que a sobreposição seja desprezível ou que não haja sobreposição.

[0062] As Figuras 7 e 8 são diagramas para duas situações, mostrando uma distribuição de tamanho de grão bimodal de um pó adequado para uso no contexto do método de fabricação da invenção: a curva 101, correspondendo a uma primeira distribuição de tamanho de grão, após classificação seletiva (p. ex., por elutriação), tendo uma primeira distribuição de partículas de pequeno tamanho centrada em torno do diâmetro médio d50%-1 e a curva 102 correspondendo a uma segunda distribuição de tamanho de grão, após classificação seletiva (p. ex., por peneiração), compreendendo uma segunda distribuição de partículas de grande tamanho centrada e torno do diâmetro médio d50%-2.

[0063] A Figura 7 mostra a situação e que não há sobreposição entre as duas curvas 101 e 102; d0%-2 é maior do que d100%-1.

[0064] A Figura 8 mostra a situação em que as duas curvas 101 e 102 se sobrepõem: d0%-2 é menor do que d100%-1, d50%-1 é menor do que d0%-2 e d100%-1 é menor do que d50%-2.

[0065] Quando há considerável sobreposição, é necessário realizar processamento de desconvolução na distribuição de tamanho de grão do pó como um todo, a fim de definir estas distribuições individuais apropriadamente.

[0066] Para uma distribuição de tamanho de grão bimodal, o pó 60 vantajosamente tem uma primeira distribuição de partículas de pequeno tamanho (curva 101) tendo tamanho médio centrado em torno de um primeiro valor de diâmetro médio d50%-1 e uma segunda distribuição de partículas de tamanho grande (curva 102), tendo tamanho médio centrado em torno de um segundo valor de diâmetro médio d50%-2, que é substancialmente sete vezes maior do que o primeiro valor de diâmetro médio d50%-1. Preferivelmente, a primeira distribuição de partículas representa substancialmente 27 % em peso do pó (a segunda distribuição de partículas então representando o resto, isto é, substancialmente 73% em peso do pó).

[0067] Tal distribuição bimodal, com uma relação de tamanho de sete entre o primeiro valor de diâmetro médio d50%-1 e o segundo valor de diâmetro médio d50%-2 d5o%—i/d5o%—2 = 2 = ou ~ 1/7), dá origem a porosidade mínima e densidade relativa máxima para o leito de pó, desde que estas duas distribuições de tamanho de grão sejam totalmente bem misturadas entre si (secas ou usando-se ou usando-se uma técnica úmida), a fim de obter-se uma mistura completamente homogênea. A mistura seca pode ser realizada por difusão (tambor rotativo), por convecção (parafuso rotativo) ou por cisalhamento (pá ou aleta rotativa).

[0068] Esta densidade relativa máxima para o leito de pó situa-se entre a densidade relativa vertida (ou aparente) e a densidade relativa vibrada (ou de derivação), correspondendo respectivamente à relação entre a densidade vertida (ou aparente) e a densidade teórica e à relação entre a densidade vibrada (ou de derivação) e a densidade teórica. A densidade vertida corresponde à densidade aparente de um pó vertido em massa em um recipiente de apropriado e conhecido volume, com o pó permanecendo não compactado, exceto por seu próprio peso. Ao contrário, a densidade vibrada corresponde à densidade aparente do pó dentro do recipiente, quando compactado em uma bandeja vibratória sem qualquer outra pressão aplicada. Deve ser enfatizado que as densidades compactada e vertida dos pós são geralmente determinadas usando-se um dispositivo conhecido como um “fluxômetro de Hall” em aplicação da norma ASTM-B527-93(2000).

[0069] Mais precisamente, na situação ideal, onde as partículas são esferas de mesmo tamanho, com uma relação de tamanho médio de 1/7 e onde a primeira distribuição de partículas representa 27 % em peso, cálculo torna possível mostrar que uma densidade relativa ótima de 0,86 é obtida (em comparação com 0,74 para uma distribuição de tamanho de grão monomodal correspondendo a um adensamento regular do tipo cúbico cêntrico ou de tipo hexagonal com número de coordenação 12) e porosidade de 14% (em comparação com 26% para uma distribuição de tamanho de grão monomodal). Deve ser lembrado que a compactação de adensamento próxima de aleatório (RCP) das partículas esféricas monodispersas é de cerca de 0,64 (para um grande diâmetro de esfera), que é próxima da densidade relativa vertida de tal pó.

[0070] Por exemplo, uso é feito do pó tendo uma distribuição bimodal em que o primeiro valor de diâmetro médio d50%-i é 3,5 µm com dio%-i e d90%-i respectivamente sendo 2,2 µm e 10 µm, e o segundo valor de diâmetro médio d50%-2 é de cerca de sete vezes maior, isto é, d50%-2 é 24,5 µm com di0%-2 e d90%-2 sendo respectivamente i5 µm e 50 µm.

[0071] A primeira distribuição de tamanho de grão apresenta tamanhos de partícula que são preferivelmente não menores do que i µm e não mais do que i5 µm.

[0072] A segunda distribuição de tamanho de grão apresenta tamanhos de partícula que devem preferivelmente não ser menores do que i0 µm e não maiores do que 53 µm.

[0073] Por exemplo, estas duas distribuições podem ser deduzidas de escolha de tamanho de grão seletiva por peneiração para as partículas maiores (>38 µm ou <400 mesh) por elutriação para as partículas menores (< 38 µm) em uma corrente de ar, nitrogênio ou argônio.

[0074] Estas duas distribuições podem ser retiradas de uma muito mais larga distribuição (p. ex., tendo partículas de tamanho d situando-se na faixa de i µm a i50 µm), desse modo necessariamente resultando em uma quantidade de pó que não é adequada para uso no método e para a qual um uso precisa ser encontrado.

[0075] De acordo com outra provisão preferida, que é contudo muito mais cara, o pó tem uma distribuição de tamanho de grão que é trimodal.

[0076] Sob tais circunstâncias e vantajosamente, o pó 60 tem uma primeira distribuição de partículas de pequeno tamanho, com tamanho médio centrado em torno de um primeiro valor de diâmetro médio, uma segunda distribuição de partículas de tamanho médio, com tamanho médio centrado em torno de um segundo valor de diâmetro médio, que é substancialmente sete vezes maior do que o primeiro valor de diâmetro médio, e uma terceira distribuição de partículas de grande tamanho de tamanho médio, que é centrada em torno de um terceiro valor de diâmetro médio, que é substancialmente quarenta e nove vezes maior do que o primeiro valor de diâmetro médio. Preferivelmente, a primeira distribuição de partículas representa substancialmente 11% em peso do pó e a segunda distribuição de partículas representa substancialmente 14% em peso do pó (a terceira distribuição de partículas então representa o resto, isto é, substancialmente 75 % em peso do pó).

[0077] Tal distribuição trimodal, com uma relação de tamanho de sete, entre o segundo valor de diâmetro médio e o primeiro valor de diâmetro médio, e uma relação de tamanho de quarenta e nove vezes, entre o terceiro valor de diâmetro médio e o primeiro valor de diâmetro médio, resulta em porosidade mínima e máxima densidade relativa para o leito de pó que é situado entre a densidade relativa vertida e a densidade relativa vibrada (ou derivada).

[0078] Mais precisamente, na situação ideal, onde as partículas são esferas dimensionadas simples, com relações de tamanho médio de 1/7 entre as primeira e segunda distribuições e de 1/49 entre as primeira e terceira distribuições, cálculo torna possível mostrar que uma densidade relativa ótima de 0,95 é obtida (em comparação com 0,74 para uma distribuição de tamanho de grão monomodal) e uma porosidade de 5% é obtida (em comparação com 26% para uma distribuição de tamanho de grão monomodal).

[0079] Por exemplo, uso é feito de um pó tendo uma distribuição trimodal em que o primeiro valor de diâmetro médio d50%-i é 0,50 µm para d10%-1e d90%-1sendo igual, respectivamente, a 0,25 µm e 1,5 µm, o segundo valor de diâmetro médio d50%-1 é de cerca de sete vezes maior dando d50%-2 igual a 3,5 µm pra dio%-2 e d90%-2 respectivamente igual a 2,2 µm e 10 µm, e o terceiro valor de diâmetro médio d50%-3 é de cerca de quarenta e nove vezes maior do que o primeiro valor de diâmetro médio, dando d50%-3 igual a 24,5 µm e d10%-3 e d90%-3 respectivamente igual a 15 µm a 50 µm. A primeira distribuição de tamanho de grão apresenta tamanhos de partícula que preferivelmente não interstício abaixo de 0,1 µm ou acima de 2,5 µm. A segunda distribuição de tamanho de grão apresenta tamanhos de partícula que preferivelmente não interstício abaixo de 1 µm ou acima de 15 µm. A terceira distribuição apresenta tamanhos de partícula que preferivelmente não interstício abaixo de 10 µm ou acima de 53 µm.

[0080] Com referência à composição do pó e à distribuição de sua composição entre as partículas, ou na verdade dentro de cada partícula, é possível imaginar numerosas configurações.

[0081] Em uma possível provisão, todas as partículas do pó apresentam composição idêntica e homogênea.

[0082] Como exemplo, é também possível vantajosamente utilizar um pó 60 que seja totalmente ou parte um pó pré-unido, obtido por um método de sintetizar pó de uma única liga precursora.

[0083] A obtenção de tal pó pré-unido é bem conhecida da pessoa hábil na técnica, em particular por atomização gasosa de um líquido apresentando a composição desejada para o pó (mistura precursora) e formando gotículas que se solidificam e, assim, formam as partículas de pó.

[0084] É possível utilizar-se um pó 60 que seja totalmente ou em parte um pó revestido, isto é, um pó em que as partículas apresentam composições que são diferentes em um núcleo e em uma cobertura situada em torno do núcleo.

[0085] É também possível imaginar um pó pré-unido do tipo aglomerado, que seja obtido aglomerando-se uma mistura de um pó metálico (matriz) e um pó cerâmico (reforço) com um aglutinante aquoso incluindo um agente de aglomeração do tipo de polivinil álcool ou do tipo de celulose ou, sem dúvida, do tipo de polietileno glicol, que é então termicamente consolidado e opcionalmente esferoidizado.

[0086] É também possível utilizar-se um pó 60 em que a primeira distribuição de partículas e a segunda distribuição de partículas apresentam mutuamente diferentes composições químicas.

[0087] É também possível imaginar que a primeira distribuição de partícula já é constituída por uma mistura de dois pós de diferentes composições químicas e, possivelmente, também a segunda distribuição de partículas.

[0088] Preferivelmente, o material composto de partículas do pó é metálico ou intermetálico, ou cerâmico ou polimérico.

[0089] Vantajosamente, o material feito de partículas do pó é metálico e pertence ao grupo compreendendo ligas com base em ferro, ligas com base em titânio, ligas com base em cobalto, ligas com base em cobre, ligas com base em magnésio, ligas com base em alumínio, ligas com base em molibdênio, ligas com base em tungstênio, ligas com base em zircônio, ligas com base em prata, ligas com base em tântalo, ligas com base em zinco, ligas com base em ouro, ligas com base em nióbio, ligas com base em platina e superligas com base em níquel.

[0090] Em outra provisão preferida, o material é metálico é feito do pó que pertence ao grupo compreendendo TA6V e Inconel 718 (marca comercial registrada).

[0091] A liga TA6V é uma liga de titânio conhecida e bastante usada, que inclui 6% em peso de alumínio e 4 % em peso de vanádio.

[0092] A expressão liga Inconel 718 (marca comercial registrada) é usada para significar a liga com base em níquel, que apresenta a seguinte composição:

[0093] Para realizar o método, não há nenhuma mudança da descrição acima com relação ao método da técnica anterior, exceto quanto à distribuição de tamanho de grão multimodal do pó 60.

[0094] Assim, no exemplo do pó tendo uma única composição, p. ex., a liga Inconel 718 (marca comercial registrada), é possível iniciar-se de uma batelada de pó apresentando uma curva de distribuição de tamanho de grão monomodal 100, que é submetida a classificação seletiva, a fim de reter, dentre todas dessas partículas iniciais, dois (ou mais) subgrupos de partículas de pó dos respectivos tamanhos centrados em um primeiro valor de diâmetro médio (primeira distribuição de partículas de tamanho pequeno centradas em torno do diâmetro médio d50%-1) e em um segundo valor de diâmetro médio (segunda distribuição de partículas de tamanho grande centradas em torno do diâmetro médio d50%-2), com isto sendo feito como mostrado nas Figuras 7 e 8.

[0095] Em seguida, estes dois subgrupos de partículas de pó são misturados juntos em uma relação de peso bem definida, a fim de ter-se uma mistura homogênea.

[0096] Em seguida, uma porção do pó 60 é tirada do depósito de alimentação 70 para o suporte de construção 80, onde ela é espalhada a fim de formar uma primeira camada 10 de pó, empregando-se o sistema de colocação 30.

[0097] Em seguida, uma região desta primeira camada 10 de pó é elevada a uma temperatura mais elevada do que a temperatura de fusão (ou sinterização) do pó por varredura com o feixe de alta energia 95, de modo que as partículas de pó desta região da primeira camada 10 funda-se (ou sejam sinterizadas) e formem um primeiro elemento de peça única 15, que é uma porção da peça sendo construída.

[0098] Vantajosamente, o feixe de alta energia 95 é um feixe de laser.

[0099] Vantajosamente, as partículas de pó 60 são aquecidas usando- se o feixe de laser 95 a uma temperatura que não é muito maior do que a temperatura de fusão TF do material constituindo o pó, a fim de evitar que vapores sejam desprendidos por vaporização e de modo que as mais finas, não fundidas partículas de pó 60, que estão em contato íntimo com a peça sendo construída, não soldem entre si.

[00100] Por exemplo, as partículas de pó constituindo a cavidade de líquido não são aquecidas acima do ponto de ebulição do pó Tevap. Para uma mistura de dois pós de diferentes composições químicas, é apropriado evitar o aquecimento das partículas da mistura acima do ponto de evaporação inferior.

[00101] As camadas superiores da peça são então construídas em sucessão, como descrito acima.

[00102] Quando, em vez de utilizar uma grade de suporte, é feito uso de um suporte de construção 80, que é sólido ou uma porção de outra peça, então o suporte de construção pode também ser pré-aquecido a uma temperatura de substrato Ts, a fim de relaxar um pouco as tensões residuais do fundo da peça sendo construída. Também pelas mesmas razões mencionadas acima, é apropriado evitar pré-aquecer o suporte de construção 80 a acima de TF/2 e melhor evitar aquecê-lo a acima de TF/3.

[00103] Vantajosamente, pós de partículas 60 são usados que não têm qualquer gás absorvido e que são partículas estranhas de forma livre. Assim, a peça acabada é menos provável incluir defeitos, tais como poros e inclusões ou precipitados intermetálicos.

[00104] Vantajosamente, antes de depositar o pó no suporte de construção 80, o pó é previamente aquecido por uma extensão de tempo suficiente (p. ex., 0,5 hora (h) a 3 h, dependendo do peso do pó) para uma temperatura de pré-aquecimento Tp, p. ex., aquecendo-se o depósito de alimentação de pó 70. Esta temperatura de pré-aquecimento Tp é bem abaixo da temperatura de fusão TF.

[00105] Além disso, um gás que é inerte para o material em questão, p. ex., argônio, é feito fluir em torno das partículas de pó 60 do depósito de alimentação (comparáveis àquelas que ocorrem dentro de um leito fluidizado). Este fluxo de gás inerte é preferivelmente para cima.

[00106] Assim, a umidade do ar que é adsorvida nas superfícies das partículas de pó 60 é reduzida ou mesmo eliminada.

[00107] Consequentemente, isto serve primeiramente para facilitar o espalhamento do pó no suporte de construção 80, uma vez que as partículas de pó 60 são menos prováveis aglomerarem-se.

[00108] Em segundo lugar, isto serve para evitar a formação de óxido(s) e a evitar que hidrogênio se desprenda, o que poderia ser casado por vapor de água reagindo com o líquido do material de pó (p. ex., com ligas de alumínio ocorre a seguinte reação: e, consequentemente, a formação dos defeitos de fabricação na peça é minimizada.

[00109] Por exemplo, a temperatura de pré-aquecimento Tp pode situar-se na faixa de 80 oC a 150 oC.

[00110] No contexto da presente invenção, em uma variante, é possível gerar e utilizar simultaneamente e em paralelo uma pluralidade de feixes de energia elevada, para a finalidade de implementar um método de fabricação em que uma pluralidade de regiões da peça, que são situadas no mesmo plano, é construída simultaneamente, desse modo economizando tempo de fabricação ou, na verdade, estendendo a região aquecida do pó em cada nova camada sob condições de temperatura que são satisfatórias para obter a fusão ou sinterização do pó nesta região, a fim de possibilitar que uma peça seja fabricada que seja de tamanho maior.

[00111] Em uma maneira preferida e a fim de aumentar o rearranjo geométrico e espacial entre as partículas do leito de pó, a fim de assegurar a maior compactação possível, entre as etapas b) e c) e também entre as etapas d) e e), uma etapa adicional é realizada, em que o suporte de construção 80 e/ou o depósito de construção 85 é/são submetidos a vibração ultrassônica, em particular pelo uso de um sistema sonotrodo (não mostrado), que pode ficar diretamente em contato com o suporte de construção 80 ou então indiretamente em contato com o suporte de construção 80 (p. ex., porque está diretamente em contato com o depósito de construção 85).

Claims (15)

1. Método para fabricar uma peça por fusão seletiva ou sinterização seletiva de leitos de pó por feixe de energia elevada, compreendendo: a) prover um material na forma de partículas de pó (60); b) depositar uma primeira camada de pó (10) do material em um suporte de construção (80); c) fazer varredura de pelo menos uma região da primeira camada (10) com o feixe (95), de tal maneira a aquecer o pó da região localmente a uma temperatura mais elevada do que a temperatura de sinterização do pó, tal que as partículas do pó, quando fundidas ou sinterizadas desta maneira na região, formem pelo menos um primeiro elemento de peça única (15); d) colocar uma segunda camada de pó (20) do material na primeira camada de pó (10); e) fazer varredura de pelo menos uma região da segunda camada (20) com o feixe (95), de tal sorte a aquecer o pó dessa região a uma temperatura mais elevada do que a temperatura de sinterização do pó, tal que as partículas do pó, quando sinterizadas ou fundidas deste modo, formem pelo menos um segundo elemento de peça única (25); e, f) repetir aquelas etapas d) e e) para cada nova camada de pó a ser colocada sobre uma camada precedente, até a peça ter sido completamente formada; caracterizadopelo fato de que o pó compreende uma distribuição de tamanho de grão que é multimodal e, entre aquelas etapas a) e b), o pó é pré- aquecido continuamente a uma temperatura de pré-aquecimento TP que se situa na faixa de 80°C a 150°C e um gás inerte é feito fluir através do pó.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o pó tem uma distribuição de tamanho de grão que é bimodal.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de o pó ter uma primeira distribuição de partículas de tamanho pequeno, que tem tamanho médio centrado em torno de um primeiro valor de diâmetro médio, e uma segunda distribuição de partículas de tamanho grande, que tem tamanho médio centrado em torno de um segundo valor de diâmetro médio, que é sete vezes maior do que o primeiro valor de diâmetro médio e em que a primeira distribuição de partículas representa 27% em peso do pó.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pó tem uma distribuição de tamanho de grão que é trimodal.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o pó ter uma primeira distribuição de partículas de tamanho pequeno, com tamanho médio centrado em torno de um primeiro valor de diâmetro médio, uma segunda distribuição de partículas de tamanho médio, com tamanho médio centrado em torno de um segundo valor de diâmetro médio, que é sete vezes maior do que o primeiro valor de diâmetro médio, e uma terceira distribuição de partículas de tamanho grande, de tamanho médio, que é centrada em torno de um terceiro valor de diâmetro médio, que é quarenta e nove vezes maior do que o primeiro valor de diâmetro médio, em que a primeira distribuição de partículas representa 11% em peso do pó, e em que a segunda distribuição de partículas representa 14% em peso do pó.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que todas as partículas do pó apresentam composição idêntica e homogênea.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o pó é um pó pré-unido obtido por um método de sintetizar pó de uma única liga precursora.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o pó é totalmente ou em parte um pó revestido.

9. Método de acordo com a reivindicação 3 ou 5, caracterizado pelo fato de que a primeira distribuição de partículas e a segunda distribuição de partículas apresentam composições químicas mutuamente diferentes.

10. Método de acordo com a reivindicação 3 ou 5, caracterizado pelo fato de que a primeira distribuição de partículas é constituída por uma mistura de dois pós de diferentes composições químicas.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o material composto de partículas do pó é metálico, ou intermetálico, ou cerâmico, ou polimérico.

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o material composto de partículas do pó ser metálico e pertencer ao grupo que compreende ligas com base em ferro, ligas com base em titânio, ligas com base em cobalto, ligas com base em cobre, ligas com base em magnésio, ligas com base em alumínio, ligas com base em molibdênio, ligas com base em tungstênio, ligas com base em zircônio, ligas com base em prata, ligas com base em tântalo, ligas com base em zinco, ligas com base em ouro, ligas com base em nióbio, ligas com base em platina e superligas com base em níquel.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o material metálico composto do pó pertencer ao grupo que compreende TAV6 e Inconel 718 (marca comercial registrada).

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o feixe de energia elevada é um feixe de laser.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que, entre aquelas etapas b) e c) e entre aquelas etapas d) e e), o suporte de construção (80) é submetido a vibração ultrassônica.