Aparas de aço como matéria-prima no fabrico aditivo

Abstract

Metal chips resulting from subtractive processes such as machining parts were, until recently, considered waste. Recently, they have shown enormous potential as a sustainable raw material for powder technologies. Depending on the manufacturing process that gave origin to it, chips have different microstructures and behavior during milling. Producing powder from metal chips by applying solid-state processes seems to be an alternative to atomization from the liquid state cooled with ultrasound and different fluids. However, the material and fragmentation process of the chips plays an essential role in the characteristics of the powder particles, as particle size, shape, particle size distribution, surface area and structure (5Ss) are crucial parameters that must be considered when considering the powder process and metallurgical applications. Milling using a ball mill proved to be the most efficient way of producing powder with a particle size of less than 30 µm and with characteristics compatible with its processability in indirect additive manufacturing. This study highlights the behavior of chip powder during all steps of the additive manufacturing process, MEX, namely during mixing, filament production, 3D object forming, debinding and sintering. After determining the CPCV of the binomial powder/binder system compatible with the rheological characteristics for filament extrusion, a direct comparison with a feedstock with the corresponding content of commercial powders suitable for MEX technology. Finally, after optimizing the binder removal and sintering conditions, the 3D objects made from chips revealed a refined microstructure with superior mechanical characteristics to the 3D objects produced using feedstock with conventional powder.

As aparas metálicas resultantes de processos subtrativos como a maquinagem de peças, e até há pouco tempo, consideradas como resíduos. No entanto, nos últimos anos, demonstraram ter um grande potencial como matéria-prima sustentável para as tecnologias do pó. As aparas, dependendo do processo de fabrico a que lhes deu origem, apresentam microestruturas diferenciadas e por isso, diferente comportamento durante a moagem. A produção de pó a partir de aparas de metal, através da aplicação de processos em estado sólido, parece ser uma alternativa à atomização a partir do estado líquido arrefecido com ultrassons e diferentes fluidos. No entanto, o material e o processo de fragmentação das aparas têm um papel essencial nas características das partículas em pó, tais como a dimensão das partículas, forma, distribuição granulométrica, área de superfície e estrutura (5Ss) são parâmetros essenciais que devem ser considerados tendo em conta o processo do pó e as aplicações metalúrgicas. A moagem com recurso a moinho de bolas revelou ser a mais eficiente para a produção de pó com granulometria inferior a 30 µm e com características compatíveis para a sua processabilidade em fabrico aditivo indireto. Neste estudo é colocado em evidência o comportamento do pó de aparas durante todas as fases do processo de fabrico aditivo, MEX, nomeadamente durante a mistura, produção de filamento, conformação do objeto 3D, remoção de ligante e sinterização. Após determinação do CPCV do binómio pó/sistema de ligantes compatível com as características reológicas para a extrusão de filamento, realizou-se uma comparação direta com uma matéria-prima com o mesmo teor de pós comerciais adequados para a tecnologia MEX. Por fim, e após otimização das condições de remoção de ligante e sinterização, os objetos 3D a partir de aparas revelaram uma microestrutura refinada e com características mecânicas superiores aos objetos 3D produzidos através de matéria-prima com pó convencional.