- Pesquisadores da FEM-Unicamp desenvolveram material metálico multicamadas por manufatura aditiva que alterna ligas Ti-5553 e Ti-42Nb, com aplicações em próteses e componentes de aeronaves.
- A produção usa uma impressora PBF-LB com dois reservatórios de pó, permitindo a alternância de ligas a cada camada de cerca de 300 micrômetros, sob coordenação de Rubens Caram Junior.
- A liga Ti-5553 pode atingir resistência acima de 1.200 MPa após tratamento térmico, enquanto Ti-42Nb oferece maior ductilidade e menor módulo elástico; a combinação busca equilíbrio entre resistência e pliabilidade.
- Mesmo sem tratamento, a heteroestrutura mostrou resistência de 800 MPa e alongamento superior a 10%; a alternância de camadas interrompe o crescimento epitaxial contínuo, reduzindo anisotropia mecânica.
- O estudo contou com apoio da FAPESP e infraestrutura do LNNano-CNPEM; possíveis aplicações incluem hastes femorais para próteses de quadril e redução de peso de aeronaves ao substituir aço por titânio.
A pesquisa brasileira avança ao propor uma liga metálica multicamadas, produzida por manufatura aditiva, que une alta resistência e boa ductilidade. O estudo foi realizado na FEM-Unicamp e envolve Ti-5553 e Ti-42Nb. As aplicações vão de próteses a componentes estruturais de aeronaves.
O material foi fabricado por impressão 3D com fusão a laser em leito de pó, usando dois reservatórios de pó independentes para alternar camadas durante a construção. A produção ocorreu numa máquina nacional modificada para esse fim.
Rubens Caram Junior, professor da FEM-Unicamp, coordenou o trabalho. A ideia é combinar uma liga muito resistente com outra mais dúctil, obtendo equilíbrio ajustável entre propriedades mecânicas.
A pesquisa contou com apoio da FAPESP e uso da infraestrutura do LNNano-CNPEM, destacando recursos estratégicos para o desenvolvimento de materiais avançados. Os números de referência dos processos de fomento são citados pela equipe.
Em termos conceituais, o desafio é o paradoxo resistência-ductilidade: aumentar a resistência normalmente reduz a ductilidade. A solução está na alternância controlada de camadas distintas, que permite um ganho conjunto.
A estratégia emprega Ti-5553, liga resistente com Al, Mo, V e Cr, e Ti-42Nb, mais dúctil e com menor módulo elástico. A Ti-5553 pode superar 1.200 MPa após tratamento térmico adequado; a Ti-42Nb preserva ductilidade.
Com a variação de temperatura e resfriamento, a resistência das camadas de Ti-5553 aumenta, elevando a performance da heteroestrutura sem, contudo, perder a plasticidade necessária para absorver energia.
A técnica de fabricação é Powder Bed Fusion-Laser Beam, que deposita e funde camadas de pó metálico sob laser. Uma inovação central foi adaptar o equipamento para alternar ligas entre camadas, de forma automatizada.
A mudança de composição em cada camada evita o crescimento epitaxial contínuo, reduzindo anisotropia mecânica. As camadas alternadas, com espessura de cerca de 300 micrômetros, foram identificadas ao microscópio eletrônico.
O material já apresenta resistência à tração de ~800 MPa e alongamento acima de 10% mesmo sem tratamento térmico. Envelhecimentos controlados permitem modular propriedades de forma adicional.
A equipe explica que elevar a temperatura e controlar o resfriamento aumenta a resistência interna das camadas, elevando o desempenho da estrutura como um todo. Isso amplia opções de projeto para componentes isotrópicos.
Aplicações
A liga Ti-5553 já é empregada em trens de pouso de aeronaves comerciais. A substituição de aço por titânio pode reduzir o peso e ampliar a capacidade de carga, com ganho de eficiência.
Na área médica, o baixo módulo elástico é relevante para próteses. O objetivo é evitar rigidez excessiva que prejudique a adaptação óssea e favorecer a evita reabsorção.
A visão futura envolve hastes femorais com variação gradual de composição e rigidez ao longo da peça. A ideia é ter regiões mais rígidas na parte superior e mais dúcteis na inferior, ajustando comportamento mecânico.
O trabalho amplia o conceito de materiais estruturais multimateriais por meio de manufatura aditiva, oferecendo diretrizes para ajuste fino de propriedades. A abordagem pode evitar frações frágeis comuns em interfaces entre ligas.
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