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Seguindo a sugestão da complexidade estrutural de árvores e ossos, os engenheiros da Washington State University criaram uma maneira de imprimir em 3D dois tipos de aço na mesma camada circular usando duas máquinas de solda. O material bimetálico resultante provou ser 33% a 42% mais forte do que qualquer metal sozinho, em parte graças à pressão causada entre os metais à medida que esfriam juntos.
O novo método usa ferramentas comuns e relativamente baratas, para que fabricantes e oficinas possam usá-lo no curto prazo. Com mais desenvolvimento, poderia ser usado para fazer implantes médicos de alto desempenho ou mesmo peças para viagens espaciais, disse Amit Bandyopadhyay, autor sênior do estudo publicado na revista. Natureza Comunicações.
“Tem aplicações muito amplas porque qualquer lugar que esteja fazendo qualquer tipo de soldagem pode agora expandir seus conceitos de design ou encontrar aplicações onde possam combinar um material muito duro e um material macio quase simultaneamente”, disse Bandyopadhyay, professor da Escola de Engenharia Mecânica e de Materiais.
A equipe de pesquisa emprestou a ideia da natureza, observando que as árvores e os ossos obtêm força da maneira como os anéis em camadas de diferentes materiais interagem uns com os outros. Para imitar isso com metais, os pesquisadores da WSU usaram equipamentos de soldagem comumente encontrados em oficinas automotivas e mecânicas, integrados a um controle numérico de computador ou máquina CNC. A nova configuração híbrida cria peças usando programação de computador precisa e dois cabeçotes de soldagem.
Em uma demonstração, os dois cabeçotes de soldagem trabalharam um após o outro em uma camada circular para imprimir dois metais, cada um com vantagens específicas. Um núcleo de aço inoxidável resistente à corrosão foi criado dentro de um invólucro externo de aço “doce” mais barato, como o usado em pontes ou ferrovias. Como os metais encolhem em taxas diferentes à medida que esfriam, a pressão interna foi criada – essencialmente prendendo os metais juntos. Testes no resultado mostraram maior resistência do que o aço inoxidável ou o aço macio por conta própria.
Atualmente, a impressão 3D com vários metais em uma configuração de soldagem requer a interrupção e troca de fios de metal. O novo método elimina essa pausa e coloca dois ou mais metais na mesma camada enquanto os metais ainda estão quentes.
“Este método deposita os metais em um círculo em vez de apenas em uma linha. Ao fazer isso, ele se afasta fundamentalmente do que tem sido possível”, disse Lile Squires, um estudante de doutorado em engenharia mecânica da WSU e primeiro autor do estudo. “Andar em círculo essencialmente permite que um material abrace o outro material, o que não pode acontecer ao imprimir em linha reta ou em camadas intercaladas.”
A capacidade de fortalecer peças de metal impressas em 3D, camada por camada, pode dar às oficinas automotivas novas opções em breve, com a capacidade de criar rapidamente peças de aço personalizadas e fortes. Podem ser desenvolvidos semi-eixos bimetálicos e resistentes ao torque, por exemplo, ou rotores de freio econômicos e de alto desempenho.
No futuro, os pesquisadores veem o potencial para processos de fabricação médica que imprimem substituições de articulações com titânio durável por fora e um material interno, como aço magnético com propriedades curativas. Da mesma forma, as estruturas no espaço podem ter um material resistente a altas temperaturas envolvendo o material interno com propriedades de resfriamento para ajudar a estrutura a manter uma temperatura consistente.
“Esse conceito tem impressão de ambos os soldadores, então podemos usar vários materiais na mesma camada, criando vantagens à medida que se combinam”, disse Bandyopadhyay. “E não precisa parar em apenas dois materiais. Pode ser expandido.”
Os pesquisadores e a WSU apresentaram um pedido provisório de patente para este desenvolvimento. Além de Bandyopadhyay e Squires, a equipe de pesquisa inclui o segundo autor Ethan Roberts, estudante de graduação em engenharia mecânica da WSU. Esta pesquisa recebeu apoio da National Science Foundation.
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