Island Interface Porosity in PBF-LB 316L: Effects of Island Overlap and Interlayer Shift in Chessboard Scanning

No mundo da manufatura moderna, existe uma técnica que constrói objetos metálicos sólidos camada por camada, diretamente de um design digital, sem a necessidade de moldes ou ferramentas de corte pesadas. Esse processo, conhecido como fusão em leito de pó, funciona espalhando uma fina camada de pó metálico fino sobre uma plataforma e, em seguida, usando um laser potente para derreter pontos específicos, fundindo o pó em uma forma sólida. À medida que o laser se move, ele traça a geometria da peça e, uma vez que uma camada é concluída, a plataforma desce ligeiramente, uma nova camada de pó é espalhada e o processo se repete até que o objeto esteja finalizado. Embora este método permita que engenheiros criem formas incrivelmente complexas que seriam impossíveis de fabricar de qualquer outra forma, as peças resultantes nem sempre são perfeitas. O aquecimento e o resfriamento rápidos inerentes ao processo podem deixar para trás pequenos buracos invisíveis chamados poros. Esses vazios são um problema sério porque enfraquecem o metal, tornando-o mais propenso a rachar ou falhar sob estresse, o que é uma preocupação crítica para indústrias como a aeroespacial e a médica, onde a segurança é primordial.

Para gerenciar o calor intenso gerado durante a impressão, os fabricantes frequentemente utilizam uma estratégia chamada varredura em tabuleiro de xadrez (chessboard scanning). Em vez de deixar o laser desenhar uma linha longa e contínua por toda a peça, o software divide a superfície em uma grade de pequenos quadrados, ou ilhas. O laser preenche um quadrado, depois salta para outro, alternando direções para evitar o acúmulo de calor em um único ponto. No entanto, essa abordagem cria novas fronteiras onde esses quadrados se encontram. Se o laser não derreter pó suficiente nessas bordas, os quadrados não se fundem adequadamente, deixando uma linha de pontos fracos e buracos exatamente onde as ilhas se tocam. Durante anos, engenheiros tentaram corrigir isso deslocando ligeiramente o padrão da grade entre cada nova camada, esperando que a nova camada derretesse sobre as lacunas deixadas pela anterior. Mas um estudo recente sugere que esse deslocamento sozinho não é a resposta completa, e que um ajuste diferente — o quanto o laser traça a sobreposição das bordas dos quadrados dentro da mesma camada — desempenha um papel muito mais crítico.

Pesquisadores da Universidade Federal de Tecnologia de Paraná e da Alkimat Tecnologia propuseram-se a investigar exatamente como esses dois fatores interagem ao imprimir aço inoxidável. Eles focaram em um tipo específico de aço, o AISI 316L, amplamente utilizado por sua resistência e resistência à ferrugem. Usando uma máquina equipada com um laser de 200 watts, eles imprimiram pequenos cubos de metal, variando duas configurações específicas para ver como elas afetavam o número de buracos dentro do material. A primeira configuração foi o "deslocamento de ilha" (island shift), onde moveram todo o padrão de grade em um milímetro entre as camadas. A segunda configuração foi a "sobreposição de ilha" (island overlap), que controlava o quanto o caminho do laser se estendia para o quadrado vizinho enquanto imprimia o atual. Em termos mais simples, eles testaram se apenas mover o padrão para cima e para baixo era suficiente para selar as lacunas, ou se precisavam fazer o laser traçar deliberadamente as bordas dos quadrados de forma mais agressiva para garantir uma união sólida.

A equipe imprimiu dezenas de amostras, medindo cuidadosamente a estrutura interna de cada uma ao cortá-las e examinar as seções transversais sob um microscópio. Eles descobriram que simplesmente deslocar a grade entre as camadas, uma prática comum na indústria, tinha muito pouco efeito na correção dos buracos se a sobreposição entre os quadrados fosse muito pequena. Quando utilizaram uma sobreposição padrão e mínima, o deslocamento não impediu que os defeitos de falta de fusão se formassem nas fronteiras das ilhas. Os buracos permaneceram concentrados em uma linha exatamente onde os quadrados se encontravam, independentemente de como as camadas eram deslocadas. Essa descoberta desafiou a suposição de que o deslocamento do padrão sozinho seria uma cura suficiente para esses defeitos específicos.

No entanto, quando os pesquisadores aumentaram a quantidade de sobreposição, os resultados mudaram dramaticamente. Ao ajustar o laser para traçar mais longe nos quadrados vizinhos, eles forçaram o metal a derreter e fundir de forma mais completa nas fronteiras. À medida que aumentavam essa sobreposição, a concentração de buracos nas interfaces das ilhas desaparecia. O melhoria mais significativa ocorreu quando definiram a sobreposição em 135 por cento, uma configuração onde o caminho do laser se estendia bem além da borda de seu quadrado designado. Nesse nível, os buracos não estavam mais agrupados em uma linha fraca; em vez disso, estavam espalhados uniformemente por todo o material, e o número total de vazios caiu significamente. Quando combinaram essa alta sobreposição com o deslocamento de camada de um milímetro, os resultados foram ainda melhores, reduzindo a porosidade média para apenas 0,10 por cento.

O estudo também analisou o tempo necessário para imprimir essas peças. Aumentar a sobreposição significava que o laser tinha que percorrer uma distância ligeiramente maior, o que adicionava um tempo ínfimo ao processo, mas o aumento era negligenciável. Os pesquisadores concluíram que a maneira mais eficaz de produzir peças metálicas fortes e densas usando esta estratégia de tabuleiro de xadrez não é confiar no deslocamento das camadas, mas sim garantir que o laser sobreponha as bordas das ilhas o suficiente para garantir uma fusão completa. Embora o deslocamento ajude a distribuir quaisquer defeitos restantes, ele não pode corrigir o problema se a fusão inicial entre os quadrados for incompleta. Esse insight oferece um caminho claro e prático para que engenheiros melhorem a qualidade de peças metálicas impressas em 3D, garantindo que estejam livres das fraquezas ocultas que podem levar à falha.