Fabricação e reforço ajustável de rede

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 16334 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os materiais avançados, como os compósitos com matriz metálica (MMC), são importantes para a inovação, a segurança nacional e a resposta às alterações climáticas. Os MMCs são usados ​​em aplicações militares, aeroespaciais e automotivas devido às suas excepcionais propriedades mecânicas e térmicas; no entanto, a adoção tem sido lenta devido aos processos de fabricação caros e onerosos. Um novo processo usando impressão 3D de fabricação de filamentos fundidos foi desenvolvido para fabricar MMCs em formato líquido sem ferramentas ou usinagem. O processo envolve a impressão de uma pré-forma de alumina e, em seguida, o uso de infiltração sem pressão com uma liga de alumínio fundido para formar o compósito. Formas arbitrárias podem ser formadas neste processo – uma alavanca de freio e um flange são demonstrados – e as propriedades podem ser ajustadas variando o padrão geométrico do preenchimento cerâmico e a carga cerâmica. Usando 35% em volume de reforço de fibra contínua acima de 800 MPa de resistência e módulo de 140 GPa são alcançados para o compósito de alumínio, 3,4 × e 2 × as propriedades de alumínio da matriz.

Os materiais avançados são de importância estratégica à escala global, uma vez que são vistos como facilitadores essenciais para a inovação, a segurança nacional e para enfrentar grandes desafios como as alterações climáticas1,2. Como a Deloitte defende na sua estrutura de Sistemas de Materiais Avançados, os materiais avançados quebram os compromissos existentes entre custo e desempenho e serão necessários para as empresas incorporarem nos produtos, a fim de se manterem competitivas3. Os compósitos de matriz polimérica (PMCs) são materiais avançados elogiados pela sua adoção no mercado2. Nestes, uma matriz polimérica, geralmente epóxi, é reforçada com fibras de carbono, vidro ou Kevlar™. O compósito resultante é um facilitador leve, de alta resistência e alta rigidez para aeronaves de alto desempenho, turbinas eólicas e artigos esportivos, entre outras aplicações. No entanto, como sublinham Maine e Garsney, esta inovação não foi desbloqueada até serem desenvolvidas inovações de processo que a tornassem acessível aos fabricantes4. Semelhante aos PMCs, os compósitos com matriz metálica (MMCs) foram fabricados pela primeira vez por Stuhrke há mais de 60 anos5. Este artigo, descrito como pioneiro em MMCs modernos6, discute um compósito ligado por difusão composto de cinco camadas de alumínio não ligado reforçado com 12–15% de filamentos de boro. Embora os MMCs sejam usados ​​em aplicações militares (por exemplo, armaduras e munições), aeroespaciais (por exemplo, componentes de motores, trens de pouso) e automotivas (por exemplo, discos de freio)7,8,9,10,11,12,13, a adoção ficou muito atrás dos PMCs devido à dificuldade na fabricação – especificamente na modelagem de peças MMC. Na verdade, o mercado mundial de PMC em 2022 foi estimado em 18,6 mil milhões de dólares14, enquanto o mercado de MMC foi estimado em apenas 2% desse valor (366 milhões de dólares)15.

Em um MMC, a matriz metálica é reforçada com fibras e/ou partículas contínuas ou descontínuas de carbono ou cerâmica. Os compósitos de matriz de alumínio (AMCs) são o tipo mais comum de MMC e exibem propriedades atraentes que não foram obtidas pelos PMCs. Por exemplo, devido à matriz metálica, os AMCs são excelentes condutores de calor e podem ser usados ​​em temperaturas muito mais altas, enquanto, devido ao reforço, exibem uma expansão térmica muito menor, têm rigidez e resistência superiores em temperaturas ambientes e elevadas e apresentam excelente resistência ao desgaste. resistência em comparação com o alumínio não reforçado. No entanto, os AMCs reforçados com cerâmica são muito desafiadores para usinar usando métodos convencionais e a dificuldade aumenta acentuadamente à medida que a fração de volume do reforço aumenta . Devido a esse desafio, apenas tecnologias de fabricação em formato líquido ou quase líquido, como metalurgia do pó, fundição por compressão ou fundição por infiltração de pressão, têm sido opções de fabricação viáveis ​​para compósitos altamente reforçados. No entanto, estas tecnologias requerem equipamentos caros e ferramentas específicas para a peça fabricada. Uma tecnologia promissora para fabricar MMCs altamente reforçados é a infiltração sem pressão, onde a pré-forma particulada de cerâmica autoportante é colocada em um reservatório refratário preenchido com liga de alumínio-magnésio fundido em um forno com atmosfera de nitrogênio . Nesta abordagem, uma liga fundida penetra na pré-forma cerâmica devido a forças capilares e após a solidificação da liga é produzida uma peça AMC. Embora os moldes não sejam necessários para a infiltração, esta tecnologia ainda requer um conjunto de ferramentas para moldagem ou prensagem da pré-forma de reforço particulado, tornando-a proibitivamente cara para muitas aplicações.