Como a ciência dos materiais está avançando no futuro da manufatura

Uma disciplina intersetorial indispensável para o avanço do design e fabricação de produtos, a ciência dos materiais é um campo definido pela inovação e pelo pensamento criativo.

Ele se concentra em como os materiais se comportam em todos os níveis, incluindo como as microestruturas e o arranjo de átomos e moléculas individuais podem influenciar significativamente o comportamento de um material - e como uma estrutura pode ser manipulada para influenciar o desempenho desejado.

Situada na interseção entre engenharia, física e química, a ciência dos materiais é uma consideração importante no desenvolvimento de novos produtos, muitas vezes resultando em propriedades sofisticadas e únicas.

A ciência dos materiais se aprofunda nas relações entre o conhecimento físico e químico e como diferentes materiais – desde metais e polímeros até compósitos e nanomateriais – podem ser projetados para obter melhor desempenho.

Isso pode incluir vantagens comercialmente benéficas, como processos de produção mais eficientes, prolongamento da vida útil de uma peça e manutenção reduzida para benefícios sociais mais fundamentais, como melhores resultados de saúde e maior energia e sustentabilidade ambiental para permitir a excelência esportiva e a tecnologia aeroespacial.

Influenciar a microestrutura de um material pode levar a alguns comportamentos notáveis ​​– incluindo a flexibilidade de um material – até onde o material pode ser esticado ou dobrado.

Também pode afetar a dureza de um material, tornando-o mais resistente à corrosão ou em sua capacidade de conduzir eletricidade ou calor.

Um exemplo perfeito, que discutiremos mais tarde, são as ligas com memória de forma – ou metais que podem ser dobrados e devolvidos à sua forma original pela aplicação de calor.

Antes pensado principalmente para prototipagem, a manufatura aditiva é cada vez mais empregada no desenvolvimento de peças sobressalentes, produção de pequenas séries e ferramentas em indústrias de manufatura com visão de futuro, como aeroespacial, eletrônica, automotiva e dispositivos médicos.

Entre as indústrias na vanguarda da fabricação inovadora, o setor médico emergiu como um segmento importante que impulsiona o crescimento da manufatura aditiva.

Ao fundir pós de metal camada por camada, usando várias técnicas diferentes de sinterização ou baseadas em laser, a fabricação aditiva pode construir componentes complexos que normalmente seriam muito desafiadores – se não impossíveis – com métodos de fabricação subtrativos mais tradicionais.

As vantagens da manufatura aditiva incluem maior liberdade e customização de design, melhor resistência e funcionalidade do produto, tempo de montagem reduzido para componentes complexos, produção localizada, tempo de lançamento rápido no mercado, mitigação de desperdício, obsolescência reduzida, menor dependência de fornecedores tradicionais e até mesmo a criação de novos materiais com propriedades mecânicas e comportamentais únicas.

A maioria das peças fabricadas com aditivos são feitas de ligas - convencionais e novas. No entanto, muito poucas peças de liga são produzidas dessa maneira com a mesma qualidade ou retêm as mesmas propriedades mecânicas oferecidas por ligas semelhantes quando fabricadas por meio de um processo convencional, como o forjamento.

Seu comportamento não responde da mesma forma, em grande parte devido ao rápido derretimento e solidificação que sofrem no processo de fabricação aditiva.

Como a indústria de manufatura aditiva tem enfrentado o desafio de manter ou mesmo melhorar as características das ligas metálicas, ela procurou a ciência e a engenharia de materiais para permitir o desenvolvimento de peças de liga com propriedades mecânicas superiores.

Descoberto há mais de 50 anos, o nitinol (NiTi) é uma liga metálica especialmente valiosa que revolucionou inúmeras indústrias.

Feito de 50% de níquel atômico e 50% de titânio atômico, possui propriedades únicas, permitindo sua superelasticidade e "efeito de memória de forma", o que significa que pode mudar de forma dependendo da temperatura. Esse comportamento especial agora faz com que o nitinol seja cada vez mais usado nas indústrias médica, odontológica e aeroespacial.

O nitinol é um excelente material para criar componentes para dispositivos médicos minimamente invasivos, como fios-guia, cateteres e stents. Quando os profissionais médicos precisam navegar em áreas particularmente apertadas, o nitinol tem flexibilidade para mudar de forma conforme necessário e durabilidade para suportar grandes quantidades de tensão.