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Impressão 3D por DMLS

Impressão 3D por DMLS: Processo, Materiais, Tolerâncias e Aplicações Industriais

Um fabricante de turbinas a gás precisa de 200 pontas de injetores de combustível com canais internos complexos demais para serem usinados. Os canais devem se adaptar à geometria da combustão, transportar combustível a 300 graus Celsius e 400 bar, e ser fabricados em Inconel 625, capaz de suportar 15.000 ciclos térmicos sem falha por fadiga. A usinagem CNC não consegue acessar os canais internos. A fundição por investimento não consegue manter a espessura de parede de 0,05 mm entre os canais. A tecnologia DMLS produz todas as 200 peças em três etapas de fabricação, com cada canal interno formado de acordo com as especificações e sem custo adicional com ferramentas secundárias.

O DMLS (Sinterização Direta a Laser de Metal) é o processo de manufatura aditiva de metal que preenche a lacuna entre o que os engenheiros podem projetar e o que a manufatura convencional é capaz de produzir. Ele fabrica peças metálicas totalmente densas diretamente a partir de um arquivo digital, camada por camada, em materiais como titânio, Inconel, aço inoxidável, alumínio e cobalto-cromo, sem a necessidade de ferramentas, sem quantidade mínima de pedido e sem restrições geométricas decorrentes do acesso das ferramentas ou da direção de extração do molde.

Este guia aborda o processo DMLS em detalhes técnicos: como ele funciona, os principais materiais e suas propriedades mecânicas na forma em que são produzidos, as capacidades em termos de tolerância e acabamento superficial, os requisitos de pós-processamento, a estrutura de custos e os cenários específicos de aplicação em que o DMLS é o processo de fabricação mais adequado em comparação com a usinagem CNC, a fundição ou a impressão 3D com polímeros.

Resposta rápidaO DMLS (Sinterização Direta a Laser de Metal) é um processo de fusão em leito de pó que utiliza um laser de fibra para sinterizar partículas de pó metálico, camada por camada, em atmosfera inerte, produzindo peças metálicas totalmente densas com geometria interna complexa que a fabricação convencional não consegue alcançar. As tolerâncias do produto acabado variam de 0,05 a 0,1 mm, melhorando para 0,02 mm ou menos em características críticas após a usinagem CNC de pós-processamento. A rugosidade superficial do produto acabado é de Ra 5 a 20 µm, melhorando para Ra 0,8 µm ou menos após usinagem ou polimento. Os principais materiais incluem Ti-6Al-4V (resistência à tração de 1.050 MPa após HIP), Inconel 718 (1.240 MPa após tratamento térmico), aço inoxidável 316L, alumínio AlSi10Mg e aço inoxidável 17-4 PH. A DMLS é escolhida quando a geometria é complexa demais para usinagem ou fundição, quando o custo das ferramentas não se justifica em baixos volumes ou quando a consolidação da peça elimina a montagem de um projeto com múltiplos componentes.

Como funciona, na prática, o processo DMLS?

O DMLS é um processo de fusão em leito de pó (PBF) classificado pela norma ISO/ASTM 52900 como PBF-LB/M (feixe de laser, metal). Compreender a mecânica do processo é essencial para entender por que o DMLS produz a qualidade de peça que produz e o que limita sua precisão e acabamento superficial no estado em que é fabricada.

O processo começa com uma placa de construção, uma plataforma plana de aço montada dentro de uma câmara de construção hermética. A câmara é purgada com gás inerte, geralmente argônio ou nitrogênio, para reduzir o teor de oxigênio a menos de 0,1%. Concentrações mais elevadas de oxigênio oxidariam o pó de metal quente durante a sinterização, criando inclusões que reduzem as propriedades mecânicas e a densidade.

Um aplicador de pó espalha uma fina camada de pó metálico sobre a placa de construção, normalmente com espessura de 20 a 100 µm, dependendo do material e dos requisitos de qualidade. Um laser de fibra de alta potência (normalmente de 200 a 1.000 watts) varre a superfície do leito de pó de acordo com a seção transversal da peça naquela camada, sinterizando ou derretendo parcialmente as partículas de pó entre si. Após cada camada, a plataforma de construção desce uma espessura de camada, o aplicador espalha pó novo e o laser varre a próxima seção transversal.

É necessário projetar estruturas de suporte na peça para elementos salientes com ângulo superior a 45 graus em relação à vertical e para áreas que necessitem de um caminho de condução de calor até a placa de impressão, a fim de evitar distorção térmica. Ao contrário da impressão em polímero por SLS, na qual o pó não sinterizado proporciona autossustentação, os suportes do DMLS são estruturas metálicas sólidas que devem ser removidas por corte manual, usinagem CNC ou eletroerosão a fio após a conclusão da impressão. A remoção dos suportes é um dos custos de pós-processamento mais significativos no DMLS e constitui uma das principais considerações de DFM (Projeto para Fabricação) ao orientar e projetar peças para a produção por DMLS.

Após a conclusão da impressão, a peça ainda está fixada à placa de impressão e cercada por pó solto. O pó é aspirado e peneirado para reutilização. A peça é então removida da placa de impressão por meio de eletroerosão a fio ou serra de fita. O recozimento de alívio de tensão é normalmente a primeira etapa do pós-processamento: a tensão térmica residual resultante do rápido aquecimento e resfriamento durante a sinterização a laser pode atingir níveis próximos ao limite de escoamento do material, causando distorção quando a peça é removida da placa sem o alívio de tensão. O Ti-6Al-4V é submetido a recozimento de alívio de tensão a 650 a 750 graus Celsius. O Inconel 718 requer um recozimento de solução completa e um envelhecimento em duas etapas para desenvolver suas propriedades de endurecimento por precipitação [1].

Quais materiais estão disponíveis para a tecnologia DMLS e quais propriedades mecânicas eles apresentam?

A escolha do material para DMLS determina todas as demais decisões em um programa de manufatura aditiva de metais. A tabela abaixo apresenta os seis materiais para DMLS mais comumente especificados, com propriedades mecânicas que refletem a condição pós-processamento (alívio de tensões ou tratamento térmico completo) em vez da condição “tal como fabricado”, uma vez que as propriedades “tal como fabricado” apresentam maior variabilidade e a maioria das aplicações estruturais requer pós-processamento.

MaterialResistência à tração (pós-processada)Limite de escoamentoAlongamento na rupturaDensidadePrincipais característicasAplicativos primários
Ti-6Al-4V (Grau 5)1.050 a 1.100 MPa (após o HIP)950 a 1.000 MPa8 a 14%4,43 g/cm³A melhor relação resistência/peso, biocompatível, resistente à corrosãoSuportes aeroespaciais, implantes médicos, automobilismo, estruturas leves
Inconel 7181.240 MPa (após solução + envelhecimento)1.100 MPa12 a 15%8,19 g/cm³Mantém a resistência até 700 graus Celsius, resistente à oxidação e à fadigaComponentes de turbinas, bicos de foguetes, sistemas de exaustão, estruturas para altas temperaturas
Inconel 625930 MPa (alívio de tensão)517 MPa30 a 35%8,44 g/cm³Excelente resistência à corrosão em ambientes com cloretos e água do mar, alta ductilidadeEquipamentos submarinos, processamento químico, setores marítimo e de componentes criogênicos
Aço inoxidável 316L540 a 600 MPa (alívio de tensão)350 a 450 MPa40 a 50%7,99 g/cm³Biocompatível, excelente resistência à corrosão, passível de usinagem posteriorInstrumentos médicos, equipamentos para o setor alimentício, arquitetura, indústria em geral
AlSi10Mg350 a 450 MPa (tratamento térmico T6)200 a 250 MPa5 a 8%2,68 g/cm³Leve, boa condutividade térmica, geometria complexa com paredes finasSuportes automotivos, estruturas de UAVs, trocadores de calor, caixas de aparelhos eletrônicos de consumo
Aço inoxidável 17-4 PH1.100 a 1.300 MPa (condição H900)1.000 a 1.200 MPa5 a 12%7,78 g/cm³Aço inoxidável de alta resistência, endurecido por precipitação, com excelente resistência à corrosãoFixadores aeroespaciais, insertos para ferramentas, instrumentos cirúrgicos, componentes de válvulas

As propriedades do DMLS no estado em que foi fabricado são mais baixas e mais variáveis do que os valores obtidos após o pós-processamento. O Ti-6Al-4V no estado de fabricação apresenta, tipicamente, resistência à tração de 1.100 a 1.200 MPa, com alongamento na ruptura de apenas 4 a 6 por cento, devido à microestrutura martensítica formada durante o resfriamento rápido a laser. Após o recozimento de alívio de tensão a 650 a 750 graus Celsius e o HIP (Prensagem Isostática a Quente) a 920 graus Celsius e pressão de argônio de 100 MPa, o alongamento aumenta para 8 a 14 por cento e a microestrutura se homogeneíza, produzindo propriedades adequadas para aplicações estruturais aeroespaciais e de implantes médicos [2].

Quais tolerâncias e acabamento superficial o DMLS consegue alcançar?

A capacidade de tolerância no DMLS é um dos aspectos mais mal compreendidos do processo. Engenheiros familiarizados com as tolerâncias da usinagem CNC às vezes aplicam as mesmas expectativas ao DMLS e ficam surpresos ao constatar que a peça produzida por DMLS é significativamente menos precisa do que uma peça usinada por CNC no mesmo material.

Tolerâncias de construção

A tecnologia DMLS “as-built” atinge tolerâncias dimensionais de 0,05 a 0,1 mm para características com tamanho superior a 10 mm e de 0,1 a 0,3 mm para características maiores, nas quais os efeitos do gradiente térmico e do encolhimento se acumulam em dimensões mais longas. Esses valores estão em conformidade com a classe média da norma ISO 2768 para peças pequenas, mas não se aproximam das tolerâncias de 0,005 a 0,02 mm alcançáveis com usinagem CNC. Para a maioria das peças estruturais e não acopláveis em aplicações aeroespaciais e industriais, as tolerâncias “as-built” são adequadas.

Para superfícies de encaixe funcionais: assentos de rolamentos, ranhuras de vedação, elementos roscados, encaixes de precisão e qualquer dimensão em que uma peça de encaixe deva interagir de forma confiável, a usinagem pós-impressão CNC da peça DMLS é a prática padrão. A impressão por DMLS produz a forma quase final no material correto, mantendo intacta toda a geometria interna complexa. A usinagem CNC, então, ajusta as superfícies externas críticas à tolerância exigida, sem afetar as características internas que a máquina-ferramenta não consegue alcançar.

Acabamento da superfície conforme a obra

A rugosidade da superfície do DMLS, tal como produzida, varia de Ra 5 a 20 µm, dependendo da orientação da impressão. As superfícies voltadas para cima, que recebem o laser diretamente, atingem valores de Ra 5 a 8 µm. As superfícies voltadas para baixo, que repousam sobre estruturas de suporte ou ficam voltadas para baixo no leito de pó, apresentam Ra de 12 a 20 µm devido ao efeito de escada das bordas das camadas e ao contato áspero com os suportes. As paredes laterais ficam entre esses extremos, com Ra de 8 a 15 µm.

O pós-processamento melhora significativamente a qualidade da superfície. O jateamento com granalha ou esferas reduz o Ra para 3 a 6 µm e cria um aspecto fosco uniforme. A usinagem CNC em superfícies críticas atinge um Ra de 0,8 a 3,2 µm. O eletropolimento para aplicações médicas e de grau alimentício atinge um Ra de 0,1 a 0,4 µm. O polimento manual de superfícies de implantes para contato ósseo atinge um Ra inferior a 0,05 µm.

Condição da superfícieRa AlcançávelTolerância alcançávelQuando especificado
Conforme construído (face superior)5 a 8 µm0,05 a 0,1 mmSuperfícies estruturais não críticas, canais internos
Conforme construído (face inferior / contato com o suporte)12 a 20 µm0,1 a 0,3 mmApenas superfícies ocultas ou que não funcionam
Após o jateamento com esferas3 a 6 µmConforme construído (sem alterações)Superfícies cosméticas externas para os setores industrial e aeroespacial
Após a usinagem CNC0,8 a 3,2 µm0,005 a 0,02 mmSuperfícies de encaixe, assentos de rolamentos, características das roscas, vedações
Após o eletropolimento0,1 a 0,4 µmConforme construído (sem alterações)Dispositivos médicos, equipamentos para alimentos, peças suscetíveis à corrosão
Após o polimento manualAbaixo de 0,05 µmConforme construído (sem alterações)Superfícies de contato do implante com o osso, superfícies ópticas e estéticas

Quando o DMLS é o processo de fabricação adequado e quando não é?

Aplicações em que o DMLS é a única opção viável

Certos requisitos das peças tornam o DMLS a única via viável de fabricação, independentemente do custo. Canais internos conformados que seguem o contorno da superfície de uma peça para resfriamento, aquecimento ou fluxo de fluidos não podem ser produzidos por usinagem CNC (sem acesso da ferramenta) nem por fundição (não há como remover núcleos de percursos internos altamente complexos). Estruturas com topologia otimizada, nas quais o material é removido de regiões de baixa tensão para minimizar o peso, mantendo o desempenho estrutural nos caminhos de carga, produzem geometrias orgânicas com travessas e treliças que nenhuma ferramenta de corte consegue seguir. A consolidação de peças, em que um conjunto de múltiplos componentes é reprojetado como uma única peça impressa, pode eliminar o trabalho de montagem, reduzir o número de fixadores e eliminar possíveis caminhos de vazamento entre componentes — algo que somente o DMLS é capaz de alcançar.

Aplicações nas quais a tecnologia DMLS se destaca em relação à usinagem CNC

Em volumes baixos, de 1 a 50 peças, a DMLS frequentemente apresenta um custo total menor do que a usinagem CNC para geometrias metálicas complexas, pois a DMLS não envolve tempo de preparação, custo com dispositivos de fixação nem tempo de programação para trajetórias complexas de 5 eixos. O ponto de equilíbrio varia de acordo com a complexidade da peça. Um suporte simples de alumínio sempre custa menos na usinagem CNC do que na DMLS. Um componente complexo de titânio com múltiplos recortes, características internas e superfícies curvas pode custar menos na DMLS em quantidades inferiores a 10 a 20 peças, pois o custo de configuração e programação da usinagem CNC não se amortiza adequadamente em pequenas séries.

Aplicações nas quais a usinagem CNC ou a fundição se mostram superiores

A usinagem CNC proporciona tolerâncias superiores, acabamento superficial e consistência de material para peças simples a moderadamente complexas, em qualquer volume de produção. As tolerâncias restritas, a longa vida útil das ferramentas e os baixos tempos de ciclo da usinagem CNC tornam-na a opção economicamente viável para a grande maioria dos componentes metálicos que não exigem complexidade interna ou otimização geométrica além do que uma ferramenta de corte pode alcançar. A fundição sob pressão e a fundição por cera perdida produzem peças metálicas a um custo unitário menor do que o DMLS para qualquer geometria que seja moldável em volumes acima de 500 a 1.000 unidades. O DMLS é mais suscetível à substituição pela fundição em volumes acima de algumas centenas de peças para qualquer geometria que não exija a liberdade geométrica da manufatura aditiva.

O setor de manufatura aditiva identifica consistentemente o ponto de transição entre a tecnologia DMLS e a manufatura convencional em função da complexidade e do volume das peças. Para geometrias simples, a usinagem CNC é quase sempre mais econômica, independentemente do volume. Para geometrias altamente complexas com características internas, a tecnologia DMLS continua sendo econômica até várias centenas de peças, antes que a fundição sob pressão ou a MIM se tornem competitivas em termos de custo [3].

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Guias e fontes relacionadas da Elite Mold Tech

Guias relacionados: guia completo para a seleção de processos de fabricação, Comparação entre SLA, SLS e FDM, Serviços de impressão 3D em metal por DMLS.

Referências oficiais: Norma ISO/ASTM 52900 para manufatura aditiva, Dados sobre pós metálicos da ASM International.

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Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre DMLS e SLM, e isso é importante para os compradores?

DMLS (Sinterização Direta a Laser de Metal) e SLM (Fusão Seletiva a Laser) descrevem processos de fusão em leito de pó metálico intimamente relacionados e que, muitas vezes, se sobrepõem. A distinção técnica é a seguinte: o DMLS foi desenvolvido pela EOS GmbH e utiliza energia de laser para sinterizar (derreter parcialmente e fundir) partículas de pó metálico a temperaturas abaixo do ponto de fusão total, enquanto o SLM derrete totalmente as partículas de pó utilizando uma densidade de potência de laser mais elevada. Na prática, a maioria dos sistemas DMLS modernos, operando com parâmetros otimizados, alcança fusão quase total e densidades de 99,5 a 99,9 por cento, tornando a distinção entre sinterização e fusão insignificante para a maioria das aplicações de engenharia. SLM é um termo registrado associado à SLM Solutions (atualmente Nikon SLM Solutions). Outros fabricantes de máquinas utilizam termos como LPBF (Laser Powder Bed Fusion, o termo padrão da ISO/ASTM), LaserCUSING (Concept Laser/GE Additive) e simplesmente “manufatura aditiva de metal” ou “impressão 3D em metal”. Para os compradores, o termo utilizado por um fornecedor é menos importante do que a certificação do material, a plataforma da máquina, os parâmetros do processo e a capacidade de pós-processamento que eles possam comprovar. Solicite certificados de ensaio de materiais de acordo com as normas ASTM E8 (tração) e ASTM E466 (fadiga), em vez de se basear na terminologia.

A tecnologia DMLS produz peças com as mesmas propriedades mecânicas que o metal forjado ou trefilado?

As peças produzidas por DMLS submetidas a pós-processamento se aproximam, mas nem sempre igualam as propriedades das peças forjadas ou trefiladas, e essa diferença depende do material, do pós-processamento aplicado e da propriedade que está sendo comparada. No caso do Ti-6Al-4V, as peças DMLS após HIP e tratamento térmico atingem resistência à tração de 1.050 a 1.100 MPa e alongamento de 8 a 14 por cento, o que atende ou excede os requisitos da norma ASTM F1472 para titânio forjado em aplicações aeroespaciais e médicas. Para o Inconel 718 após recozimento de solução e envelhecimento em duas etapas, o DMLS atinge resistência à tração de 1.240 MPa, comparável ao Inconel 718 forjado de acordo com a norma AMS 5664. A condição “as-built” é notavelmente inferior: o Ti-6Al-4V “as-built” apresenta alongamento de apenas 4 a 6 por cento devido à microestrutura martensítica formada durante o resfriamento rápido a laser. As propriedades “as-built” não devem ser utilizadas para projeto estrutural sem a confirmação do pós-processamento que será aplicado. O desempenho à fadiga das peças produzidas por DMLS é mais variável do que o dos equivalentes forjados, pois a rugosidade superficial e a porosidade interna, mesmo com densidade de 99,7%, criam pontos de início de trincas por fadiga que reduzem a vida útil à fadiga de alto ciclo para valores inferiores aos dos materiais forjados. O HIP elimina a porosidade fechada e melhora significativamente o desempenho à fadiga.

Que tipo de pós-processamento uma peça produzida por DMLS normalmente requer antes de ser utilizada?

Os requisitos de pós-processamento para peças produzidas por DMLS dependem da aplicação e do material. A sequência padrão mínima para a maioria das aplicações estruturais é: remoção dos suportes por corte manual, esmerilhamento ou eletroerosão a fio; recozimento de alívio de tensão para reduzir a tensão térmica residual resultante da impressão; e jateamento com esferas para obter uma aparência uniforme da superfície. Para peças que exigem tolerâncias rigorosas nas características de encaixe, a usinagem CNC das superfícies críticas é realizada após o alívio de tensões. Para aplicações aeroespaciais e médicas em que a carga é crítica, o HIP (Treatamento Térmico por Pressão e Temperatura Elevadas) a temperatura e pressão elevadas fecha a porosidade interna e melhora a vida útil à fadiga e o alongamento. Para o Inconel 718 e o aço inoxidável 17-4 PH, é necessário um tratamento térmico completo de endurecimento por precipitação para desenvolver as propriedades mecânicas projetadas da liga. Para o titânio de grau implantável, o eletropolimento e a passivação preparam a superfície para testes de biocompatibilidade. O custo do pós-processamento pode aumentar em 30 a 80 por cento o custo de fabricação de uma peça DMLS e deve ser incluído em qualquer comparação de custo total com a fabricação convencional.

Quais regras de projeto se aplicam especificamente à DMLS e não se aplicam à usinagem CNC?

A tecnologia DMLS impõe um conjunto diferente de restrições de projeto em comparação com a usinagem CNC, e peças projetadas para usinagem frequentemente exigem reprojeto antes que a DMLS se torne economicamente viável. As principais regras específicas da DMLS são: são necessárias estruturas de suporte para todas as saliências com ângulo inferior a 45 graus em relação à vertical, e a remoção do suporte aumenta o custo e pode deixar marcas na superfície das faces apoiadas. Espessuras de parede inferiores a 0,3 a 0,5 mm são arriscadas devido à distorção térmica e à sinterização incompleta em seções muito finas. Furos horizontais com diâmetro superior a 8 mm exigem suportes que são difíceis de remover do interior. Volumes ocos fechados devem incluir orifícios de evacuação de pó para permitir que o pó não sinterizado saia após a impressão. Cantos internos agudos são aceitáveis no DMLS, pois não há restrição de raio da ferramenta, o que representa uma vantagem de liberdade de projeto em relação ao CNC. A orientação da peça na impressão deve equilibrar a minimização de suportes, a qualidade da superfície nas faces críticas e a anisotropia das propriedades na direção de impressão. Uma análise de DFM (Design for Manufacturing) para DMLS realizada pela Elite Mold Tech antes do envio da construção identifica todas as quatro categorias e pode reduzir o custo de pós-processamento em 20 a 40 por cento.

Quanto custa a impressão 3D por DMLS por peça, e o que influencia o preço?

O custo por peça na tecnologia DMLS é determinado por três variáveis que se combinam entre si: volume de impressão, tempo de impressão e escopo do pós-processamento. A taxa de operação de equipamentos industriais de DMLS varia de US$ 50 a US$ 200 por hora, dependendo do tamanho da máquina e da potência do laser. O tempo de construção é determinado pelo número de camadas (altura total da peça dividida pela espessura da camada), pela área da seção transversal a ser digitalizada por camada e pelo número de peças agrupadas na construção. Um único suporte pequeno (50 x 50 x 30 mm) em Ti-6Al-4V, com espessura de camada de 40 µm, pode levar de 8 a 12 horas para ser fabricado, custando de US$ 400 a US$ 2.400 apenas em tempo de máquina, sem contar o material e o pós-processamento. O agrupamento de várias peças em uma única construção distribui os custos fixos da máquina (configuração, carregamento de pó, purga da atmosfera, aquecimento da placa) entre todas as peças, reduzindo significativamente o custo por peça. O custo do material varia de 50 a 500 dólares por quilograma consumido, dependendo da liga (titânio e Inconel estão na faixa mais alta, enquanto o aço inoxidável 316L está na faixa mais baixa). O pós-processamento acrescenta de 30% a 80% ao custo de fabricação. O custo total de uma peça DMLS de complexidade média em titânio varia normalmente de US$ 300 a US$ 2.000 por peça em quantidades de protótipo, caindo para US$ 100 a US$ 500 quando a impressão é totalmente agrupada, com várias peças compartilhando os custos indiretos da impressão.

As peças produzidas por DMLS podem ser soldadas, usinadas ou submetidas a tratamentos de superfície após a impressão?

Sim, e o processamento em várias etapas de peças DMLS é uma prática padrão para aplicações de alto desempenho. A usinagem CNC é o pós-processamento mais comum: o DMLS fornece a forma quase final com geometria interna complexa, e a usinagem CNC ajusta as superfícies externas de acoplamento críticas dentro das tolerâncias. Peças de titânio fabricadas por DMLS são rotineiramente usinadas com tolerância de 0,005 mm nos assentos de rolamentos e nas faces das flanges após o alívio de tensões. A soldagem de peças DMLS a outros componentes ou a material forjado é possível para a maioria das ligas, utilizando procedimentos padrão de soldagem TIG e por feixe de elétrons. O comportamento da zona afetada pelo calor da solda é semelhante ao dos equivalentes forjados, após o tratamento térmico pós-impressão homogeneizar a microestrutura. Tratamentos de superfície, incluindo anodização (para AlSi10Mg), passivação (para aços inoxidáveis), revestimento PVD e revestimentos de barreira térmica (para componentes de superliga Inconel), aplicam-se às peças DMLS utilizando as mesmas especificações que os equivalentes forjados. O material é o mesmo: o que muda é a microestrutura inicial e a porosidade, que devem ser controladas por meio de parâmetros de processo e pós-processamento antes que o tratamento de superfície possa ser especificado de forma confiável.

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