Abrasive Flow Machining of Additively Manufactured Inconel 718 Conformal Cooling Channels: Effects on Surface Integrity and Tribological Performance

Imagine um mundo onde peças metálicas complexas não são esculpidas a partir de um bloco sólido, mas construídas camada por camada, como uma impressora 3D empilhando metal fundido. Este método, conhecido como manufatura aditiva, permite que engenheiros criem formas que antes eram impossíveis de fabricar, como túneis internos intrincados para sistemas de resfriamento em motores de jatos ou moldes de alto desempenho. No entanto, essa liberdade tem um preço. Como o metal é formado pela fusão de minúsculas partículas de pó, as paredes internas desses túneis são frequentemente ásperas e picotadas, cobertas com minúsculos pontos de metal não fundidos. Em um sistema de fluxo suave, esses pontos ásperos agem como lombadas, interrompendo o fluido que se move através deles e causando turbulência. Para fazer essas peças avançadas funcionarem, o interior áspero deve ser suavizado, mas ferramentas tradicionais como brocas ou escovas não conseguem alcançar o interior desses canais sinuosos e ocultos.

Pesquisadores recorreram a uma solução inteligente chamada usinagem por fluxo abrasivo. Em vez de uma ferramenta rígida, esse processo utiliza uma pasta espessa, semelhante a uma pasta de dentes, preenchida com minúsculos grãos duros de areia. Essa pasta é forçada sob alta pressão, indo e voltando através dos canais internos da peça de metal. À medida que a pasta é espremida, os grãos duros raspam contra as paredes, polindo-as até ficarem lisas sem a necessidade de uma mão humana segurar uma ferramenta dentro do furo. Uma equipe de engenheiros testou recentemente essa técnica em um metal específico de alta resistência chamado Inconel 718, que é frequentemente usado em ambientes extremos, como o aeroespacial. Eles queriam saber exatamente como ajustar o processo para obter os melhores resultados sem danificar a peça, e se a resistência interna do metal sobreviveria ao polimento.

A equipe começou com cupons de metal, pequenos blocos contendo um furo reto, fabricados usando um laser para derreter o pó metálico. Eles então submeteram esses blocos à pasta abrasiva, variando três fatores principais: a espessura da pasta, o número de vezes que a pasta foi empurrada pelo furo e a granulação da areia. Eles testaram diferentes concentrações da pasta abrasiva, variando de uma mistura mais fina para uma muito espessa, e realizaram o processo de anywhere from a few passes to eighty passes (alguns passes até oitenta passes). Eles também compararam peças que foram usadas diretamente da máquina de fabricação contra peças que foram aquecidas em um forno para alterar sua estrutura interna, uma etapa frequentemente tomada para tornar o metal mais forte.

Os resultados foram impressionantes. O processo de fluxo abrasivo foi incrivelmente eficaz em limpar a superfície. Nos melhores casos, o processo removeu quase todos os pontos de metal não fundidos que tornavam a superfície áspera, reduzindo a rugosidade das paredes do canal em noventa e oito por cento. Essa transformação transformou uma superfície irregular e acidentada em uma que era tão lisa quanto um tubo de metal polido convencionalmente. No entanto, os pesquisadores descobriram que simplesmente rodar o processo por mais tempo nem sempre era melhor. Se a pasta fosse muito fina, a superfície acabaria desenvolvendo uma textura ondulada e enrugada conforme o processo continuava, o que na verdade tornava a superfície mais áspera novamente. A chave para o sucesso era usar uma pasta espessa e concentrada. Quando a pasta era espessa o suficiente, a superfície continuava ficando mais lisa a cada passagem, e os pesquisadores descobriram que realizar o processo oitenta vezes com essa pasta espessa produzia o acabamento mais liso e uniforme.

O tipo de grão de areia utilizado também importava, mas não da maneira que se poderia esperar. Grãos mais grossos removiam material mais rapidamente, o que é útil se você precisar desgastar muito metal rapidamente. No entanto, esses grãos maiores deixavam riscos mais profundos na superfície. Grãos mais finos levavam mais tempo para suavizar a superfície, mas deixavam um acabamento muito mais limpo e com menos marcas profundas. O estudo mostrou que, embora os grãos mais grossos pudessem realizar o trabalho em menos passagens, os grãos mais finos eram melhores para alcançar um acabamento de alta qualidade sem remover demais as dimensões originais da peça. Isso é crucial porque, se o canal se tornar muito largo, pode alterar como o fluido de resfriamento flui, invalidando o propósito do design.

Talvez o mais importante, os pesquisadores verificaram se esse polimento agressivo danificou o metal subjacente. Eles mediram a dureza do metal em diferentes profundidades abaixo da superfície e descobriram que o processo não enfraqueceu o material. A estrutura interna do metal permaneceu intacta, e a dureza não mudou significativamente, mesmo após oitenta passagens. Isso significa que a peça não é apenas mais lisa por fora; ela é tão forte por dentro. Eles também testaram como as superfícies polidas se comportavam quando esfregadas contra outro material, um teste para desgaste e fricção. As peças que foram polidas com a pasta espessa e muitas passagens apresentaram a menor fricção, o que significa que elas deslizariam contra outras superfícies mais facilmente e sofreriam menos desgaste ao longo do tempo.

O estudo também observou o que acontecia com o metal quando era aquecido antes do polimento. O tratamento térmico alterou as propriedades do metal, tornando-o ligeiramente mais macio, mas o processo de polimento funcionou tão bem nessas peças tratadas termicamente quanto nas brutas. Na verdade, as peças tratadas termicamente terminaram com uma superfície ligeiramente mais lisa após o polimento em comparação com as não tratadas. Isso sugere que a ordem das operações — se você aquece o metal primeiro ou polir primeiro — pode ser ajustada com base nas necessidades específicas da peça sem perder os benefícios do processo de suavização.

Ao equilibrar cuidadosamente a espessura da pasta de polimento, o tamanho dos grãos abrasivos e o número de vezes que a pasta é empurrada, os engenheiros podem agora suavizar de forma confiável o interior de canais metálicos complexos. Esta pesquisa confirma que a usinagem por fluxo abrasivo não é apenas uma forma de fazer uma superfície parecer melhor; é uma forma de garantir que a peça desempenhe seu trabalho corretamente. Para indústrias que dependem desses sistemas de resfriamento intrincados, a capacidade de suavizar o interior de um canal sem danificar o metal ou alterar seu tamanho abre as portas para máquinas mais eficientes, duradouras e de alto desempenho. O trabalho prova que, com as configurações certas, esta técnica pode transformar um canal áspero impresso em 3D em um componente de precisão pronto para as aplicações mais exigentes.