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O Grupo de Estudos de Processos Eletroquímicos e Eletroanalíticos (GEPEEA) do Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) desenvolveu uma impressora 3D para a impressão eletroquímica de metais. O tema é parte da tese de doutorado de Rodolfo Lucas Bortoluzzi, orientada pelo professor Almir Spinelli. O principal objetivo do projeto é contribuir para o desenvolvimento e a consolidação do uso da manufatura aditiva (impressão 3D) e a sua ampliação para a impressão eletroquímica 3D de metais. Em particular, o objetivo é desenvolver a impressão eletroquímica 3D para a obtenção controlada de filmes metálicos com diferentes espessuras e posterior confecção de peças metálicas.

Impressoras 3D possuem a capacidade de imprimir camada por camada peças com geometrias complexas, inclusive com partes móveis, diminuindo a necessidade de montagem posterior. Cimentos de secagem rápida e polímeros termoplásticos são materiais disponíveis comercialmente e de uso imediato para este fim sem a necessidade de processamento pós-impressão. Ao contrário da manufatura convencional, na impressão 3D não há geração substancial de resíduos por processos pós-conformação como corte, usinagem e polimento, permitindo uma vantajosa economia de material e mão de obra, além de diminuição dos custos energéticos e ambientais. Quando se usa a impressão de metais, as tecnologias de fundição por feixe de elétrons (electron beam melting) e a sinterização direta de metais a laser (direct metal laser sintering) são utilizadas com sucesso relativo, com a desvantagem de necessitarem de etapas pós-conformação de têmpera e sinterização, etapas estas que demandam uma estrutura de fornos e eleva o custo energético, impedindo a aplicação em escala reduzida (residencial, por exemplo). Além disso, o beneficiamento de matérias-primas, normalmente pós-metálicos com granulometria muito fina, usualmente abaixo de 400 mesh, demanda processos com altos custos energéticos, tornando a fabricação metálica via tecnologia aditiva (impressão 3D) inviável frente às tecnologias tradicionais, delimitando seu campo de aplicação à prototipagem rápida. Nesse contexto, um grande desafio técnico-científico demanda uma solução urgente: como produzir peças metálicas empregando a manufatura aditiva, sem a dependência de matérias-primas caras e o pós-processamento das peças impressas, de forma competitiva, técnica e economicamente, frente à tecnologia de fundição empregada na metalurgia tradicional? Foi com esta questão em mente que o projeto da tese de doutorado de Rodolfo Lucas Bortoluzzi foi concebido. Apenas 18 meses após o início do projeto, alguns resultados começaram a aparecer.

Uma impressora 3D convencional (modelo REP-RAP adquirida via internet) foi adequadamente modificada para imprimir filmes metálicos a partir de soluções de cátions metálicos. A cabeça de impressão foi confeccionada com uma agulha de seringa, que funciona como ânodo. A mesa de impressão em cobre funciona como cátodo, onde o metal é impresso. Um instrumento chamado potenciostato/galvanostato controla o potencial ou a corrente necessária para a impressão eletroquímica. A peça a ser impressa é desenhada num computador, que controla todo o sistema e transmite os dados para a impressora. Dessa forma, metais que necessitam de um elevado potencial para serem depositados a partir de seus cátions, foram facilmente impressos eletroquimicamente em formato 3D. Por exemplo, o acrônimo GEPEEA foi impresso em ferro sobre um substrato de cobre em escala micrométrica. A impressão eletroquímica 3D de ferro do referido acrônimo foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X.

Impressão eletroquímica 3D de ferro em substrato de cobre do acrônimo GEPEEA em escala micrométrica.

A impressora eletroquímica 3D de metais também imprime em escala macrométrica. Uma torre Eiffel foi impressa eletroquimicamente no formato 3D. As dimensões tridimensionais são de 5 cm x 5 cm na base e de 12,5 cm de altura, considerando a altura da base impressa separadamente. A torre, com formato cuneiforme e com diversas figuras geométricas de tamanhos diferentes foi inteiramente impressa em alumínio a partir de uma solução de cloreto de alumínio (AlCl₃).

Impressão eletroquímica 3D de alumínio em substrato de cobre da torre Eiffel em escala macrométrica.

Além da impressão eletroquímica 3D de ferro e alumínio, já foram obtidos peças de cobre tridimensionalmente impressas. Todas foram impressas a partir de soluções dos respectivos cátions metálicos, sem a necessidade do uso de moldes ou de fundição após a impressão eletroquímica. Embora preliminares, os resultados obtidos até o momento são bastante promissores e suscitarão novas pesquisas no âmbito da impressão eletroquímica 3D de metais.

Material divulgado por:

Professor Almir Spinelli
almir.spinelli@ufsc.br

Rodolfo Lucas Bortoluzzi
rodolfo.bortoluzzi@posgrad.ufsc.br