Pesquisadores da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas (FEM-Unicamp) desenvolveram um material metálico multicamadas, produzido por manufatura aditiva, capaz de combinar alta resistência mecânica e boa ductilidade – propriedades difíceis de conciliar em ligas metálicas estruturais. As aplicações possíveis vão de próteses a componentes estruturais de aeronaves.
O estudo, publicado na revista Additive Manufacturing, demonstra que é possível modular vários parâmetros mediante a alternância controlada de camadas de duas ligas distintas de titânio. O material foi fabricado por meio de uma impressora 3D computadorizada especialmente modificada para a tarefa, capaz de produzir camadas de espessura micrométrica por fusão a laser em leito de pó.
O trabalho foi coordenado por Rubens Caram Junior, professor titular da FEM-Unicamp. “A ideia foi combinar uma liga muito resistente com outra mais dúctil, de modo que o conjunto apresentasse um equilíbrio ajustável entre essas propriedades”, afirma o pesquisador.
Em engenharia de materiais, aumentar a resistência mecânica normalmente implica reduzir a ductilidade, a capacidade do material de se deformar plasticamente antes da fratura. Esse comportamento, conhecido como “paradoxo resistência-ductilidade”, limita seriamente as aplicações. “Em um material único, quando a resistência mecânica aumenta, a ductilidade diminui. E isso constitui um grande problema, porque a ductilidade é fundamental para absorver energia antes da fratura. Do contrário, ele pode romper de forma abrupta”, explica o pesquisador. A alternância controlada de camadas distintas, uma mais resistente, a outra mais dúctil, permitiu solucionar o problema.
A pesquisa contou com vários apoios da Fapesp e utilizou a infraestrutura do Laboratório Nacional de Nanotecnologia do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (LNNano-CNPEM).
Um importante diferencial do estudo foi a modificação de um equipamento nacional de manufatura aditiva, com a incorporação de dois reservatórios independentes de pó, permitindo alternar automaticamente a alimentação das ligas durante a fabricação.
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“Desenvolvemos um aparato que permite mudar a composição a cada camada. As máquinas tradicionais não permitem essa alternância controlada”, sublinha Caram. No trabalho, foram produzidas camadas alternadas de aproximadamente 300 micrômetros, claramente identificadas por microscopia eletrônica.
Um dos achados relevantes do estudo foi a interrupção do “crescimento epitaxial contínuo” entre camadas. Ele ocorre durante a deposição de um material sobre um substrato de modo que a camada depositada segue a mesma orientação cristalográfica do material de base. Em outras palavras: o novo cristal cresce “copiando” a orientação cristalográfica do cristal abaixo. No trabalho em pauta, a alternância de materiais interrompeu o crescimento epitaxial contínuo, evitando o inconveniente da anisotropia mecânica. Um material anisotrópico não se comporta da mesma maneira se for alongado, comprimido ou dobrado em diferentes direções. Já materiais isotrópicos possuem propriedades uniformes em todas as direções.
Mesmo na condição inicial, sem tratamento térmico, o novo material apresentou desempenho expressivo, com resistência à tração da ordem de 800 MPa e alongamento superior a 10%. Tratamentos térmicos seguidos de envelhecimento permitiram modular as propriedades e melhorar ainda mais os atributos.
“O que ocorre é uma modificação da microestrutura interna. Ao elevar a temperatura e controlar o resfriamento, aumentamos significativamente a resistência das camadas e, portanto, aumentamos também, de forma expressiva, a resistência de toda a heteroestrutura”, comenta o pesquisador.
A liga já é empregada em trens de pouso de aeronaves comerciais. Segundo Caram, a substituição de aço por titânio pode diminuir o peso da aeronave em centenas de quilos, possibilitando maior transporte de carga.
Já na área médica, o baixo módulo elástico é crucial. “Se é colocada uma haste muito rígida no fêmur, o osso deixa de se deformar elasticamente quando é solicitado mecanicamente. Isso pode induzir reabsorção óssea. Por isso buscamos ligas com módulo de elasticidade mais baixo”, afirma Caram.
A possibilidade futura é produzir hastes femorais para próteses de quadril com variação gradual de composição e rigidez (módulo de elasticidade) ao longo da peça: mais rígidas na região superior e mais flexíveis na inferior. “Hoje essas hastes são constituídas por um só tipo de material, com comportamento mecânico único. A nossa visão é fabricar uma haste com variações controladas de composição e, consequentemente, de comportamento mecânico”, prognostica o pesquisador.
A abordagem amplia o escopo do design de multimateriais estruturais produzidos por manufatura aditiva, fornecendo diretrizes práticas para ajuste fino de propriedades mecânicas. O conceito aproxima-se do de materiais compósitos, mas com uma diferença essencial: as heterogeneidades são constituídas por ligas metálicas compatíveis da mesma classe, evitando a formação de fases intermetálicas frágeis na interface.