Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

Imagine um mundo onde uma única máquina pudesse construir uma peça que fosse dura e resistente ao desgaste por fora, mas tenaz e flexível por dentro, tudo em um único processo contínuo. Este é o promessa de uma tecnologia chamada deposição de metal a laser. Neste processo, um laser de alta potência derrete o pó metálico à medida que ele é soprado para dentro de uma pequena poça de metal fundido, construindo um componente camada por camada diretamente de um design digital. Durante anos, engenheiros usaram este método para criar peças a partir de um único tipo de metal. No entanto, o mundo real raramente é tão simples. Uma pá de turbina pode precisar resistir ao calor extremo em sua extremidade enquanto permanece flexível perto de sua base; um implante médico pode exigir uma superfície que se funda bem com o osso, mas um núcleo que suporte cargas pesadas. Para atender a essas necessidades, cientistas tentam há muito tempo misturar diferentes metais durante o processo de impressão. O desafio sempre foi o controle: como misturar dois pós diferentes de forma tão perfeita que eles se misturem instantaneamente e uniformemente antes de derreterem, sem que um tipo de pó saia voando do curso ou se aglomere?

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Nanchang, na China, enfrentou esse problema projetando um novo tipo de bocal, o dispositivo que direciona o pó metálico para o feixe do laser. Em vez de misturar os pós juntos em um funil antes de entrarem na máquina, o novo design mantém dois pós diferentes separados até o último momento. Eles construíram um bocal coaxial de canal duplo, o que essencialmente significa um tubo dentro de outro. O tubo interno transporta um tipo de pó metálico, enquanto o anel externo transporta um tipo diferente. Ambos os fluxos são disparados simultaneamente em direção ao mesmo ponto. O objetivo era ver se esses dois fluxos distintos, que naturalmente se comportam de forma diferente devido ao seu peso e forma, poderiam ser forçados a convergir e se misturar uniformemente logo antes de atingirem o metal fundido.

Para descobrir a melhor maneira de construir este bocal, os pesquisadores primeiro recorreram a simulações computacionais. Eles criaram um modelo virtual do fluxo de gás e de pó para testar como diferentes formas e ângulos afetariam os fluxos. Eles descobriram que o tamanho dos tubos e o ângulo em que apontam são críticos. Se os tubos forem muito largos, o pó se espalha demais e perde o foco. Se os ângulos estiverem errados, os dois fluxos podem se perder ou convergir em distâncias diferentes, levando a uma mistura desordenada. Através dessas simulações, eles determinaram que o canal interno deve ser angulado em 70 graus e o externo em 60 graus, com ambos os tubos tendo um diâmetro de 0,8 milímetros. Eles também calcularam que a saída do tubo interno deve ser posicionada a 3 milímetros do centro do bocal, e o tubo externo deve estar a apenas 1 milímetro do interno. Essas dimensões específicas, conforme descobriram, criariam o ponto mais apertado e focado onde os dois pós se encontram.

Assim que o modelo computacional foi otimizado, a equipe construiu um protótipo físico do bocal e o colocou à prova. Eles escolheram três metais muito diferentes para ver se o design poderia lidar com o desafio: uma liga de titânio conhecida como TC4, molibdênio e cobre. Esses materiais variam significamente em densidade e forma. Os pós de titânio e molibdênio eram quase esferas perfeitas, enquanto o pó de cobre era irregular e serrilhado. Usando câmeras de alta velocidade, os pesquisadores observaram os pós saindo do bocal. As filmagens mostraram que, apesar de suas diferenças, os dois fluxos de pó viajaram juntos e se encontraram exatamente no mesmo ponto no espaço. Quando misturaram os pós de titânio e cobre, as cores distintas dos metais permitiram que vissem a mistura em tempo real. O titânio cinza-prateado e o cobre avermelhado fundiram-se perfeitamente no ponto de convergência, sem sinais de um sobrepondo o outro ou de se aglomerarem em pilhas separadas.

Para provar que essa mistura funcionou em um cenário de fabricação real, os pesquisadores usaram o bocal para construir uma peça de amostra. Eles alimentaram a liga de titânio pelo canal interno e o molibdênio pelo canal externo, criando uma única trilha de dez camadas de altura. Após a construção da peça, eles a cortaram e examinaram a seção transversal sob um microscópio. Os resultados foram claros: o molibdênio estava distribuído uniformemente por toda a estrutura, assim como o titânio. Não havia manchas escuras ou brilhantes indicando que um metal havia se assentado no fundo ou flutuado para o topo. Isso confirmou que os pós haviam se misturado completamente no ar antes de derreterem, criando uma mistura uniforme de dois materiais muito diferentes.

O estudo demonstra que, ao projetar cuidadosamente o caminho dos fluxos de pó, é possível entregar metais dissimilares a um feixe de laser e alcançar uma mistura perfeita sem pré-misturá-los. Esta abordagem oferece um novo nível de controle para a criação de componentes complexos com propriedades personalizadas. Os pesquisadores mostraram que, com a geometria correta do bocal, as diferenças naturais entre pós pesados, leves, redondos ou serrilhados não precisam ser uma barreira. Em vez disso, elas podem ser gerenciadas para produzir um material consistente e de alta qualidade que combina as melhores características de seus ingredientes, abrindo as portas para peças metálicas mais avançadas e adaptáveis no futuro.