Parece que toda a indústria de testes de materiais está falando de manufatura aditiva, mas o que isso significa para os testes de materiais? Junte-se aos especialistas da MTS Mike Shepard, PhD e Mark Menzuber, MBA, enquanto discutem os conceitos básicos da Manufatura Aditiva, o que a torna diferente da impressão 3D e como ela afetará o futuro dos testes de materiais.
O que é Manufatura Aditiva (MA) e quais são suas vantagens?
Shepard: Bem, não posso fazer justiça tecnológica com uma resposta curta, mas a Manufatura Aditiva está impulsionando uma revolução no projeto e na fabricação. A tecnologia nos permite criar diretamente peças a partir de um desenho sólido, utilizando uma ampla e crescente gama de métodos de Manufatura Aditiva. Nos melhores casos, as propriedades podem se comparar favoravelmente aos processos convencionais de fabricação. As várias técnicas são aplicáveis a metais, polímeros e até mesmo compósitos e cerâmicas. De modo geral, você constrói a peça diretamente, camada por camada. As peças que têm tolerâncias rigorosas ou são portadoras de carga podem precisar de algumas etapas de usinagem de acabamento ou tratamento térmico, mas em alguns casos as peças podem ser usadas diretamente fora do sistema de manufatura aditiva.
As vantagens desta tecnologia são inúmeras. Primeiro, você obtém uma liberdade incrível para projetar formas e estruturas. Os projetistas podem otimizar para peso, transferência de calor, espaço e outras propriedades. Segundo, em termos de uso de material, pode ser muito eficiente - você não está transformando um grande bloco de metal em cavacos para criar uma peça pequena e complicada. É por isso que a Manufatura Aditiva é descrita como tendo uma excelente "relação buy-to-fly." Ou seja, a maior parte do material que você compra realmente vai para o componente, em vez de ser transformado em aparos ou sucata. A cadeia de abastecimento também pode ser reduzida drasticamente. Várias etapas de fabricação e fornecedores podem ser potencialmente reduzidos a um único, embora complexo, processo de fabricação - em um único local. As vantagens logísticas em termos de prazos de entrega mais curtos e cadeias logísticas consolidadas são óbvias.
Quais tendências do setor estão impulsionando a necessidade da MA e quais segmentos estão liderando o uso da MA?
Menzuber: A maioria das empresas que se envolvem com manufatura aditiva são realmente atraídas pela capacidade de aparar peso e acrescentar desempenho de várias maneiras. Há também muito interesse no potencial de simplificar sua cadeia de fornecimento e reduzir os prazos de entrega, utilizando a manufatura aditiva no local no lugar de múltiplas etapas de produção, possivelmente em outros locais. Finalmente, a Manufatura Aditiva oferece novas eficiências para produções de pequeno e médio porte, o que pode facilitar uma personalização mais econômica e encurtar os prazos de desenvolvimento de produtos.
As tecnologias de manufatura aditiva, à medida que amadurecem, têm o potencial de ser bastante disruptivas. Todos estão considerando a manufatura aditiva, mas vejo a maior parte da energia e do investimento em aplicações Aeroespaciais e Biomédicas. Estas indústrias têm aplicações de muito alto valor agregado, com volumes baixos a moderados. As aplicações nestas indústrias tendem a ser altamente otimizadas e testadas extensivamente, de modo que processos de fabricação emergentes como a Manufatura Aditiva podem ser integrados, uma vez que sua proposta de valor é clara. As aplicações automotivas também estão realmente se tornando fortes, mas há um nível mais alto de sensibilidade ao custo nessa indústria.
Qual é a diferença entre impressão 3D e MA?
Shepard: Estes termos ainda são comumente usados de forma intercambiável, especialmente na mídia convencional e no espaço do mercado consumidor. Na minha opinião, as peças fabricadas aditivamente são tipicamente utilizadas em aplicações de uso final. Como a peça será usada em um produto, MA requer um processo robusto, adequado para um ambiente de produção, que pode ser completado com eficiência razoável.
Em uma aplicação de prototipagem rápida, as peças geralmente não veriam nenhum tipo de serviço significativo. A resistência pode não ser muito alta e as propriedades podem não ser uniformes. Você gostaria de ter cuidado ao usar estas peças para qualquer aplicação prática, especialmente quando qualquer carga estiver envolvida. O processo de impressão em si pode ser bastante lento. Dito tudo isso, um protótipo físico rapidamente disponível pode realmente ajudar os engenheiros de projeto a entender como uma peça vai funcionar e interagir com outras peças. Estes protótipos impressos também são extremamente úteis para demonstrar a adequação e o funcionamento aos colaboradores e clientes. Considero estes protótipos impressos em 3D como o próximo passo a partir das visualizações que você poderá criar com software CAD 3D.
A MTS usa a Manufatura Aditiva?
Shepard: Oh, sim. Afinal, a MTS tem uma longa história na manufatura aditiva, começando em meados da década de 90. Estávamos um pouco à frente de nosso tempo para o mercado, mas trabalhando com uma série de parceiros conseguimos aperfeiçoar nosso processo de Manufatura Aditiva Laser (LAM) ao ponto de podermos produzir com sucesso peças Ti-6Al-4V de qualidade aeroespacial. Algumas dessas peças podem ainda estar voando em aviões F-15. Essa experiência nos deu uma visão tremenda do que é necessário para qualificar um processo de manufatura aditiva e as peças que dele provêm, especialmente os aspectos de testes mecânicos.
Mais recentemente, estamos entusiasmados com as possibilidades de design e eficiência da manufatura aditiva pelas mesmas razões que nossos clientes estão interessados nesta tecnologia. Temos um sistema interno de Manufatura Aditiva que usamos para a prototipagem rápida e algumas peças de produção. Quando estamos projetando sistemas personalizados, usamos a prototipagem rápida como parte de nosso processo de P&D. O CAD 3D é incrível e o usamos extensivamente, mas nada melhor do que poder segurar as peças e ver como elas se encaixam e funcionam. Nossos clientes também gostam. Quando estamos projetando um novo sistema único para eles, é realmente útil ter um modelo completo ou em escala menor que lhes permitirá ver em primeira mão o conceito mecânico das operações.
Também usamos a Manufatura Aditiva para algumas peças de baixo volume, de alta complexidade e sem carga. Para estas peças, a MA nos dá custos competitivos e prazos de entrega curtos que são muito atraentes do ponto de vista logístico. No passado, estas peças tinham que ser fabricadas utilizando várias etapas, às vezes utilizando fornecedores fora de nossa fábrica. Agora nós apenas carregamos o modelo sólido do componente, aplicamos práticas padrão para nossas configurações de processo MA e voltamos mais tarde quando a peça estiver pronta. O componente fabricado aditivamente às vezes pode ir direto para a construção, sem etapas de fabricação secundária.
Como a MA afeta os testes de materiais?
Menzuber: Há uma série de elementos importantes. Primeiro, pode ser um desafio obter amostras padrão usinadas a partir de componentes fabricados aditivamente, de modo que você pode precisar usar amostras de fabricação de subsalas ou um tipo diferente de teste. Somos bastante experientes em lidar com estas variáveis. Temos uma ampla gama de estruturas de carga e fixação que lhe permitirá aplicar o nível correto de força a um corpo de prova configurado corretamente para ajudá-lo a avaliar as propriedades com as quais você se preocupa. Também somos sensíveis ao fato de que diferentes clientes estarão interessados em executar diferentes tipos de testes e precisarão de soluções em diferentes capacidades e pontos de preço.
Você também precisa ter em mente a natureza dos processos de Manufatura Aditiva e como isso influencia a uniformidade das propriedades dos materiais em uma peça. Em geral, o principal atributo da manufatura aditiva é que você vai diretamente às peças acabadas ou quase acabadas, camada por camada. Você não faz um grande bloco de material relativamente uniforme e depois usina uma parte disso. A natureza camada por camada da manufatura aditiva pode deixá-lo com propriedades materiais que não são necessariamente isotrópicas, o que significa que elas não são uniformes dependendo da direção na peça. Em particular, as propriedades perpendiculares às camadas aditivas, geralmente chamadas de direção Z, são de maior interesse. Deve-se planejar alguns testes extras para garantir que eles entendam o quão uniforme é o material nas peças. Além disso, dependendo do grau de maturidade do processo específico de manufatura aditiva, pode ser necessário realizar testes para entender o impacto dos vários parâmetros de processamento nas propriedades mecânicas para entender melhor a região segura de processamento para a produção. Estes processos podem ser extremamente complexos, com muitas e muitas variáveis.
O teste de cupons testemunha é particularmente valioso como parte de um processo de produção de aditivos. Você pode construir um pequeno cupom de teste antes e depois de uma construção complicada para garantir que o sistema esteja funcionando geralmente como esperado. Temos uma diversidade de sistemas menores e com preços modestos que são perfeitos para isso. Eles são fáceis de usar e podem combinar bem ao lado do sistema de Manufatura Aditiva, se você quiser. Estes sistemas podem lhe dar feedback imediato sobre se o sistema está ou não produzindo bom material do ponto de vista das propriedades mecânicas. Os cupons cortados diretamente dos componentes podem dar uma indicação mais direta da estabilidade do processo e da qualidade dos componentes.
Quais são algumas considerações importantes ao selecionar equipamentos de teste para corpos de prova MA?
Shepard: Logicamente, a comunidade de testes está tentando fazer uso do equipamento existente e dos métodos de teste padronizados tanto quanto possível. Infelizmente, porém, o material de um artigo fabricado aditivamente pode não ter propriedades uniformes. Em muitos casos, você simplesmente não pode obter corpos de prova padrão destes componentes fabricados. Este é um desafio divertido para nós. Temos famílias abrangentes de tecnologias de estrutura de carga (servo-hidráulica, eletromecânica, eletrodinâmica), bem como de fixação (garras, curva de três pontos, clivagens, etc.) que nos permitem lidar com subescalas e corpos de prova incomuns sem dificuldade excessiva. Também temos estruturas de carga que são bem dimensionadas para testes em menor escala, se isso for necessário.
Dependendo dos tipos de testes necessários, você poderá ser melhor atendido por diferentes tipos de sistemas. Na ponta superior, para o mais alto nível de desempenho e flexibilidade, você provavelmente quer um sistema servo-hidráulico. Estes são especialmente adequados para testes dinâmicos como fadiga e fratura e podem facilmente fazer mais testes de rotina, tais como testes de tração. Alguns clientes podem ter requisitos mais simples e precisam apenas ser capazes de executar testes de tração. Estes clientes podem ser mais adequados a um sistema eletromecânico. Os sistemas eletromecânicos podem ser bastante acessíveis e são ideais para testar cupons de testemunhas como parte de um processo de produção.
Nos últimos anos, há outra opção também. Os sistemas eletrodinâmicos oferecem muito desempenho dinâmico e não exigem uma bomba hidráulica. Estes sistemas são especialmente atraentes se você precisar operar em um ambiente particularmente limpo ou se você for novo em testes e precisar de alguma capacidade dinâmica, mas preferiria evitar a complexidade e as despesas de uma instalação hidráulica.
Como a MTS está envolvida na comunidade de Manufatura Aditiva?
Menzuber: Bem primeiro, somos um usuário da tecnologia e temos uma longa história na área de tecnologia, portanto temos algum conhecimento em primeira mão das vantagens e desafios associados aos métodos de Manufatura Aditiva. Em segundo lugar, temos relações realmente estreitas com nossos clientes. Cada um deles tem suas próprias formas de integrar novos materiais e processos em seus produtos e nós fazemos parcerias com eles para apoiá-los. Isso poderia significar ajudá-los a desenvolver dados de projeto, gerar parâmetros para seus modelos de materiais, testar cupons de testemunha, até testar componentes e sistemas em escala real. Em terceiro lugar, estamos engajados com as organizações de normalização que estão desenvolvendo padrões de testes em Manufatura Aditiva, especialmente ASTM e ISO. É importante que a MTS participe dessas organizações para que possamos apoiar a comunidade técnica com nossa experiência em testes e trazer à tona as necessidades e experiências de nossos clientes.
O que é Manufatura Aditiva (MA) e quais são suas vantagens?
Shepard: Bem, não posso fazer justiça tecnológica com uma resposta curta, mas a Manufatura Aditiva está impulsionando uma revolução no projeto e na fabricação. A tecnologia nos permite criar diretamente peças a partir de um desenho sólido, utilizando uma ampla e crescente gama de métodos de Manufatura Aditiva. Nos melhores casos, as propriedades podem se comparar favoravelmente aos processos convencionais de fabricação. As várias técnicas são aplicáveis a metais, polímeros e até mesmo compósitos e cerâmicas. De modo geral, você constrói a peça diretamente, camada por camada. As peças que têm tolerâncias rigorosas ou são portadoras de carga podem precisar de algumas etapas de usinagem de acabamento ou tratamento térmico, mas em alguns casos as peças podem ser usadas diretamente fora do sistema de manufatura aditiva.
As vantagens desta tecnologia são inúmeras. Primeiro, você obtém uma liberdade incrível para projetar formas e estruturas. Os projetistas podem otimizar para peso, transferência de calor, espaço e outras propriedades. Segundo, em termos de uso de material, pode ser muito eficiente - você não está transformando um grande bloco de metal em cavacos para criar uma peça pequena e complicada. É por isso que a Manufatura Aditiva é descrita como tendo uma excelente "relação buy-to-fly." Ou seja, a maior parte do material que você compra realmente vai para o componente, em vez de ser transformado em aparos ou sucata. A cadeia de abastecimento também pode ser reduzida drasticamente. Várias etapas de fabricação e fornecedores podem ser potencialmente reduzidos a um único, embora complexo, processo de fabricação - em um único local. As vantagens logísticas em termos de prazos de entrega mais curtos e cadeias logísticas consolidadas são óbvias.
Quais tendências do setor estão impulsionando a necessidade da MA e quais segmentos estão liderando o uso da MA?
Menzuber: A maioria das empresas que se envolvem com manufatura aditiva são realmente atraídas pela capacidade de aparar peso e acrescentar desempenho de várias maneiras. Há também muito interesse no potencial de simplificar sua cadeia de fornecimento e reduzir os prazos de entrega, utilizando a manufatura aditiva no local no lugar de múltiplas etapas de produção, possivelmente em outros locais. Finalmente, a Manufatura Aditiva oferece novas eficiências para produções de pequeno e médio porte, o que pode facilitar uma personalização mais econômica e encurtar os prazos de desenvolvimento de produtos.
As tecnologias de manufatura aditiva, à medida que amadurecem, têm o potencial de ser bastante disruptivas. Todos estão considerando a manufatura aditiva, mas vejo a maior parte da energia e do investimento em aplicações Aeroespaciais e Biomédicas. Estas indústrias têm aplicações de muito alto valor agregado, com volumes baixos a moderados. As aplicações nestas indústrias tendem a ser altamente otimizadas e testadas extensivamente, de modo que processos de fabricação emergentes como a Manufatura Aditiva podem ser integrados, uma vez que sua proposta de valor é clara. As aplicações automotivas também estão realmente se tornando fortes, mas há um nível mais alto de sensibilidade ao custo nessa indústria.
Qual é a diferença entre impressão 3D e MA?
Shepard: Estes termos ainda são comumente usados de forma intercambiável, especialmente na mídia convencional e no espaço do mercado consumidor. Na minha opinião, as peças fabricadas aditivamente são tipicamente utilizadas em aplicações de uso final. Como a peça será usada em um produto, MA requer um processo robusto, adequado para um ambiente de produção, que pode ser completado com eficiência razoável.
Em uma aplicação de prototipagem rápida, as peças geralmente não veriam nenhum tipo de serviço significativo. A resistência pode não ser muito alta e as propriedades podem não ser uniformes. Você gostaria de ter cuidado ao usar estas peças para qualquer aplicação prática, especialmente quando qualquer carga estiver envolvida. O processo de impressão em si pode ser bastante lento. Dito tudo isso, um protótipo físico rapidamente disponível pode realmente ajudar os engenheiros de projeto a entender como uma peça vai funcionar e interagir com outras peças. Estes protótipos impressos também são extremamente úteis para demonstrar a adequação e o funcionamento aos colaboradores e clientes. Considero estes protótipos impressos em 3D como o próximo passo a partir das visualizações que você poderá criar com software CAD 3D.
A MTS usa a Manufatura Aditiva?
Shepard: Oh, sim. Afinal, a MTS tem uma longa história na manufatura aditiva, começando em meados da década de 90. Estávamos um pouco à frente de nosso tempo para o mercado, mas trabalhando com uma série de parceiros conseguimos aperfeiçoar nosso processo de Manufatura Aditiva Laser (LAM) ao ponto de podermos produzir com sucesso peças Ti-6Al-4V de qualidade aeroespacial. Algumas dessas peças podem ainda estar voando em aviões F-15. Essa experiência nos deu uma visão tremenda do que é necessário para qualificar um processo de manufatura aditiva e as peças que dele provêm, especialmente os aspectos de testes mecânicos.
Mais recentemente, estamos entusiasmados com as possibilidades de design e eficiência da manufatura aditiva pelas mesmas razões que nossos clientes estão interessados nesta tecnologia. Temos um sistema interno de Manufatura Aditiva que usamos para a prototipagem rápida e algumas peças de produção. Quando estamos projetando sistemas personalizados, usamos a prototipagem rápida como parte de nosso processo de P&D. O CAD 3D é incrível e o usamos extensivamente, mas nada melhor do que poder segurar as peças e ver como elas se encaixam e funcionam. Nossos clientes também gostam. Quando estamos projetando um novo sistema único para eles, é realmente útil ter um modelo completo ou em escala menor que lhes permitirá ver em primeira mão o conceito mecânico das operações.
Também usamos a Manufatura Aditiva para algumas peças de baixo volume, de alta complexidade e sem carga. Para estas peças, a MA nos dá custos competitivos e prazos de entrega curtos que são muito atraentes do ponto de vista logístico. No passado, estas peças tinham que ser fabricadas utilizando várias etapas, às vezes utilizando fornecedores fora de nossa fábrica. Agora nós apenas carregamos o modelo sólido do componente, aplicamos práticas padrão para nossas configurações de processo MA e voltamos mais tarde quando a peça estiver pronta. O componente fabricado aditivamente às vezes pode ir direto para a construção, sem etapas de fabricação secundária.
Como a MA afeta os testes de materiais?
Menzuber: Há uma série de elementos importantes. Primeiro, pode ser um desafio obter amostras padrão usinadas a partir de componentes fabricados aditivamente, de modo que você pode precisar usar amostras de fabricação de subsalas ou um tipo diferente de teste. Somos bastante experientes em lidar com estas variáveis. Temos uma ampla gama de estruturas de carga e fixação que lhe permitirá aplicar o nível correto de força a um corpo de prova configurado corretamente para ajudá-lo a avaliar as propriedades com as quais você se preocupa. Também somos sensíveis ao fato de que diferentes clientes estarão interessados em executar diferentes tipos de testes e precisarão de soluções em diferentes capacidades e pontos de preço.
Você também precisa ter em mente a natureza dos processos de Manufatura Aditiva e como isso influencia a uniformidade das propriedades dos materiais em uma peça. Em geral, o principal atributo da manufatura aditiva é que você vai diretamente às peças acabadas ou quase acabadas, camada por camada. Você não faz um grande bloco de material relativamente uniforme e depois usina uma parte disso. A natureza camada por camada da manufatura aditiva pode deixá-lo com propriedades materiais que não são necessariamente isotrópicas, o que significa que elas não são uniformes dependendo da direção na peça. Em particular, as propriedades perpendiculares às camadas aditivas, geralmente chamadas de direção Z, são de maior interesse. Deve-se planejar alguns testes extras para garantir que eles entendam o quão uniforme é o material nas peças. Além disso, dependendo do grau de maturidade do processo específico de manufatura aditiva, pode ser necessário realizar testes para entender o impacto dos vários parâmetros de processamento nas propriedades mecânicas para entender melhor a região segura de processamento para a produção. Estes processos podem ser extremamente complexos, com muitas e muitas variáveis.
O teste de cupons testemunha é particularmente valioso como parte de um processo de produção de aditivos. Você pode construir um pequeno cupom de teste antes e depois de uma construção complicada para garantir que o sistema esteja funcionando geralmente como esperado. Temos uma diversidade de sistemas menores e com preços modestos que são perfeitos para isso. Eles são fáceis de usar e podem combinar bem ao lado do sistema de Manufatura Aditiva, se você quiser. Estes sistemas podem lhe dar feedback imediato sobre se o sistema está ou não produzindo bom material do ponto de vista das propriedades mecânicas. Os cupons cortados diretamente dos componentes podem dar uma indicação mais direta da estabilidade do processo e da qualidade dos componentes.
Quais são algumas considerações importantes ao selecionar equipamentos de teste para corpos de prova MA?
Shepard: Logicamente, a comunidade de testes está tentando fazer uso do equipamento existente e dos métodos de teste padronizados tanto quanto possível. Infelizmente, porém, o material de um artigo fabricado aditivamente pode não ter propriedades uniformes. Em muitos casos, você simplesmente não pode obter corpos de prova padrão destes componentes fabricados. Este é um desafio divertido para nós. Temos famílias abrangentes de tecnologias de estrutura de carga (servo-hidráulica, eletromecânica, eletrodinâmica), bem como de fixação (garras, curva de três pontos, clivagens, etc.) que nos permitem lidar com subescalas e corpos de prova incomuns sem dificuldade excessiva. Também temos estruturas de carga que são bem dimensionadas para testes em menor escala, se isso for necessário.
Dependendo dos tipos de testes necessários, você poderá ser melhor atendido por diferentes tipos de sistemas. Na ponta superior, para o mais alto nível de desempenho e flexibilidade, você provavelmente quer um sistema servo-hidráulico. Estes são especialmente adequados para testes dinâmicos como fadiga e fratura e podem facilmente fazer mais testes de rotina, tais como testes de tração. Alguns clientes podem ter requisitos mais simples e precisam apenas ser capazes de executar testes de tração. Estes clientes podem ser mais adequados a um sistema eletromecânico. Os sistemas eletromecânicos podem ser bastante acessíveis e são ideais para testar cupons de testemunhas como parte de um processo de produção.
Nos últimos anos, há outra opção também. Os sistemas eletrodinâmicos oferecem muito desempenho dinâmico e não exigem uma bomba hidráulica. Estes sistemas são especialmente atraentes se você precisar operar em um ambiente particularmente limpo ou se você for novo em testes e precisar de alguma capacidade dinâmica, mas preferiria evitar a complexidade e as despesas de uma instalação hidráulica.
Como a MTS está envolvida na comunidade de Manufatura Aditiva?
Menzuber: Bem primeiro, somos um usuário da tecnologia e temos uma longa história na área de tecnologia, portanto temos algum conhecimento em primeira mão das vantagens e desafios associados aos métodos de Manufatura Aditiva. Em segundo lugar, temos relações realmente estreitas com nossos clientes. Cada um deles tem suas próprias formas de integrar novos materiais e processos em seus produtos e nós fazemos parcerias com eles para apoiá-los. Isso poderia significar ajudá-los a desenvolver dados de projeto, gerar parâmetros para seus modelos de materiais, testar cupons de testemunha, até testar componentes e sistemas em escala real. Em terceiro lugar, estamos engajados com as organizações de normalização que estão desenvolvendo padrões de testes em Manufatura Aditiva, especialmente ASTM e ISO. É importante que a MTS participe dessas organizações para que possamos apoiar a comunidade técnica com nossa experiência em testes e trazer à tona as necessidades e experiências de nossos clientes.
