Research on Method and Technology of Dual-Beam Selective Laser Melting Forming of Porous Stainless Steel

Imagine que você está tentando construir um castelo delicado, semelhante a uma esponja, feito de metal fundido usando um laser superquente. Este é o mundo da Fusão Seletiva a Laser (SLM), uma versão de alta tecnologia da impressão 3D onde camadas de pó metálico são fundidas para criar formas complexas. Cientistas adoram este método porque ele pode criar estruturas porosas e leves, perfeitas para coisas como filtros, trocadores de calor ou até mesmo implantes médicos que permitem o crescimento do osso em seu interior. Mas há um problema: quando você atinge o metal com um laser, ele fica incrivelmente quente e, quando esfria, ele encolhe. Como o metal esfria de forma tão desigual — quente no meio, frio nas bordas — ele fica retorcido e tensionado, como um elástico que foi esticado demais. Essa "tensão residual" pode fazer com que o objeto final rache ou deforme, arruinando a estrutura de esponja perfeita. Para corrigir isso, pesquisadores estão procurando maneiras de controlar o calor, de forma muito semelhante a um chef tentando evitar que um suflê desabe ao gerenciar a temperatura do forno da maneira certa.

Neste estudo, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Fujian decidiu tentar um truque inteligente: em vez de usar apenas um laser, eles usaram dois. Eles configuraram um laser "principal" para fundir o pó metálico e um laser "ajudante" (ou auxiliar) para aquecer suavemente a área logo à frente do feixe principal. Pense nisso como um chef principal selando um bife enquanto um subchefe usa uma toalha quente para pré-aquecer gentilmente a carne, garantindo que as mudanças de temperatura ocorram de forma suave, em vez de dar um choque no metal. Ao simular este processo em um computador e realizar experimentos do mundo real, a equipe descobriu que esta abordagem de laser duplo atua como um amortecedor térmico. Ela reduz as diferenças bruscas de temperatura que causam tensão, efetivamente "suavizando" a reação do metal ao calor. Suas simulações e testes mostraram que este método reduziu com sucesso a tensão interna no aço inoxidável impresso, provando que, às vezes, adicionar um pouco de calor extra da maneira certa é a melhor maneira de manter as coisas frias e calmas.

O Experimento: Dois Lasers vs. Um

Os pesquisadores focaram na fabricação de aço inoxidável poroso 316L, um material conhecido por ser resistente, porém cheio de pequenos poros. Eles construíram um modelo computacional detalhado do processo, tratando o pó metálico como um bloco contínuo e simulando como o calor se move através dele. Para garantir que seu modelo computacional estivesse dizendo a verdade, eles primeiro imprimiram uma amostra usando uma máquina de feixe duplo real (um sistema Dimetal-280) e mediram as minúsculas "poças de fusão" — os pequenos charcos de metal fundido deixados para trás. As previsões do computador foram incrivelmente precisas, coincidindo com as medições do mundo real dentro de uma margem de erro de 5%. Isso deu a eles a confiança para usar a simulação para testar centenas de cenários diferentes sem desperdiçar caro pó metálico.

A Zona "Goldilocks" do Calor

A equipe realizou uma série de testes para ver como diferentes configurações alteravam o resultado. Eles trataram o processo como uma receita, ajustando cinco ingredientes principais: a potência do laser ajudante, o tamanho do seu ponto, a velocidade com que o laser se movia, a distância entre as linhas do laser e o intervalo de tempo entre o disparo dos dois lasers.

Eles descobriram que a relação entre essas configurações e a tensão final não era uma história simples de "mais é melhor" ou "menos é melhor". Em vez disso, era um delicado equilíbrio:

• Potência do Laser Ajudante: Se o laser ajudante fosse muito fraco, não aqueceria o metal o suficiente. Se fosse forte demais, causaria o superaquecimento do metal e uma expansão excessiva, criando nova tensão. Havia um "ponto ideal" onde ele reduzia a tensão perfeitamente.
• Tamanho do Ponto: Um ponto minúsculo no laser ajudante não aquecia área suficiente. Um ponto gigante resfriava o metal demais em alguns lugares. O tamanho correto criou uma zona quente e suave que evitava quedas bruscas de temperatura.
• Velocidade e Espaçamento: Mover o laser muito lentamente despejava calor demais, enquanto mover rápido demais ou espaçar as linhas muito longe deixava lacunas frias. A equipe descobriu que uma velocidade de varredura de 1200 mm/s e um espaçamento de 100 μm funcionavam melhor.
• Intervalo de Tempo: Este era o tempo entre o laser ajudante aquecer o ponto e o laser principal fundi-lo. Se disparassem exatamente ao mesmo tempo, seria muito caótico. Se esperassem demais, o metal esfriaria completamente antes da chegada do laser principal. O tempo perfeito era um intervalo ínfimo de 0,3 ms, apenas o suficiente para deixar o pré-aquecimento fazer o seu trabalho sem perder o ímpeto.

A Combinação Vencedora

Após realizar um "teste ortogonal" (uma maneira inteligente de testar muitas combinações de uma só vez), os pesquisadores identificaram a receita definitiva para a menor quantidade de tensão. As configurações ideais foram:

• Potência do Laser Principal: 150 W
• Tamanho do Ponto do Laser Principal: 40 μm
• Potência do Laser Ajudante: 10 W
• Tamanho do Ponto do Laser Ajudante: 160 μm
• Velocidade de Varredura: 1200 mm/s
• Espaçamento de Varredura: 100 μm
• Intervalo de Tempo: 0,3 ms

Quando utilizaram esta combinação específica, a tensão residual no metal atingiu seu nível mais baixo. De fato, o grupo com as melhores configurações (Grupo 3) apresentou um nível de tensão de 282 MPa, que foi significativamente inferior ao grupo de pior desempenho (Grupo 9), com 384 MPa. Isso provou que o gradiente de temperatura — a diferença de temperatura entre a poça de fusão quente e os arredores frios — era o principal culpado pela tensão. Ao suavizar essa diferença de temperatura, eles suavizaram a tensão.

O Confronto Final: Um Feixe vs. Dois

Para realmente provar seu ponto, a equipe comparou sua melhor configuração de feixe duplo contra uma configuração padrão de feixe único. Eles mantiveram a energia total aproximadamente a mesma, dividindo-a entre dois lasers para a versão de feixe duplo. Os resultados foram claros:

• Feixe Único: Produziu uma temperatura de pico de 1580 ℃, um gradiente de temperatura de 41.522 ℃/mm e uma tensão residual de 293 MPa.
• Feixe Duplo: Produziu uma temperatura de pico ligeiramente menor de 1525 ℃, um gradiente de temperatura mais suave de 39.162 ℃/mm e uma tensão residual menor de 282 MPa.

O método de feixe duplo reduziu a tensão residual em aproximadamente 3,75%. Embora esse número possa parecer pequeno, no mundo da engenharia de precisão, é uma melhoria significativa. A razão pela qual funcionou é que o laser ajudante atuou como um pré-aquecedor, elevando a temperatura do leito de pó antes da chegada do laser principal. Isso significou que o metal não teve que lidar com uma queda de temperatura tão súbita e chocante ao esfriar, evitando o "retorcimento" que causa rachaduras.

O Que Isso Significa

O estudo confirma que usar dois lasers em uma dança coordenada é uma forma viável de fabricar peças metálicas porosas mais fortes e com menos tensão. Os pesquisadores mostraram que, ao ajustar cuidadosamente a potência, a velocidade e o tempo do laser ajudante, é possível controlar o histórico térmico do metal. Eles não apenas adivinharam; eles simularam a física, verificaram com experimentos reais e encontraram um conjunto específico de números que funciona melhor. Embora a redução da tensão tenha sido modesta, o método fornece uma base teórica sólida para melhorias futuras. Sugere que, se quisermos imprimir estruturas metálicas ainda mais complexas e confiáveis no futuro, talvez precisemos parar de pensar nos lasers apenas como "pistolas de calor" e começar a pensar neles como uma equipe, onde um prepara o palco e o outro realiza o trabalho pesado.