Refusão a laser aplicada à manufatura aditiva por soldagem de deposição

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Paes, Luiz Eduardo dos Santos
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/214597
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019
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spelling Refusão a laser aplicada à manufatura aditiva por soldagem de deposiçãoEngenharia mecânicaImpressão em três dimensõesProcessos de fabricaçãoUsinagemFundiçãoTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019A obtenção de peças com elevado grau de complexidade sempre foi um desafio para a manufatura. Enquanto os processos de usinagem apresentam problemas de restrição (acesso da ferramenta e rigidez da peça), os processos de fundição, no geral, não garantem a qualidade dimensional necessária e apresentam limitações das formas obtidas. Além destes, a metalurgia do pó é limitada pela dimensão máxima dos componentes. Como alternativa a estes processos, a manufatura aditiva surgiu com o objetivo de atender as demandas que não são preenchidas pelas técnicas convencionais. Ao fabricar camada por camada, o formato final pode ser alcançado com uma qualidade adequada e pouco retrabalho (near net shape). No entanto, este processo ainda está em fase de desenvolvimento. Atualmente, o resultado final obtido sem processamento posterior não é satisfatório para a aplicação em componentes projetados para resistir a esforços mecânicos cíclicos (fadiga). Isto se dá devido à elevada rugosidade final e à grande quantidade de defeitos como falta de fusão. A peça normalmente passa pelos processos de usinagem e de Prensagem Isostática a Quente (PIQ). Neste contexto, o objetivo do presente trabalho consiste em avaliar e entender fisicamente o processo de refusão a laser como uma alternativa para a solução dos problemas citados após o processamento por soldagem via Deposição Direta de Energia a Laser (DDE-L). Assim, a produtividade na fabricação do componente poderá ser aumentada de forma significativa pois não serão mais necessários dois pós- processamentos em equipamentos diferentes. Além disto, a tese também propõe o desenvolvimento de modelos matemáticos capazes de prever o comportamento da superfície tanto para a DDE-L quanto para a refusão, o que auxiliará na etapa de parametrização e contribuirá para a redução do número total de experimentos. A DDE-L e a refusão foram realizadas com uma fonte laser de fibra (Yb-Itérbio), com potência nominal máxima de 10 kW. Utilizou-se pós de ferro e de Inconel 625 como materiais de adição com o intuito de comparar os resultados sob as mesmas condições de processamento. Com equipamentos de medição 2D e 3D, assim como por Microscopia Eletrônico de Varredura (MEV) foram quantificadas as mudanças obtidas na superfície. A verificação do nível de vazios, devido à falta de fusão de pó, foi embasada em macrografias transversais. Os resultados apontaram uma atenuação do parâmetro da rugosidade Ra na superfície após a refusão a laser de aproximadamente 30 % para o ferro e 70 % para o Inconel. Apenas as amostras obtidas com pó de ferro apresentaram homogeneidade em sua superfície. O perfil resultante para o Inconel incluiu deformações acentuadas nas laterais. Após a refusão, nas amostras obtidas com pó de ferro, verificou-se uma redução de aproximadamente 8 % para 2 % na área de vazios por falta de fusão, enquanto para as amostras obtidas em Inconel esta redução foi de aproximadamente 6 % para 4 %. Os modelos matemáticos empíricos desenvolvidos para os processos de DDE-L e refusão foram validados e mostraram um erro máximo em torno de 10 % nas características dos perfis das camadas depositadas e refundidas para parâmetros de entrada situados na faixa de parâmetros variáveis para ao quais o modelo foi desenvolvido, tanto para as amostras obtidas com pó de ferro quanto com Inconel.Abstract: Manufacturing of complex components have been always a challenge. While machining processes show restriction problems (tool access and stiffness), casting does not assure dimensional accuracy and present limitations regarding its shape. Besides these, powder metallurgy is limited by the maximum component size. As an alternative to the cited processes, additive manufacturing emerged with the objective to meet the requirements that were not filled with the conventional techniques. Through a layer by layer procedure, the final shape is reached with quality and a near net shape. However, this process still being developed. Nowadays, the final result obtained without post processing is not suitable for application in components subjected to cycle loadings (fatigue). This is due to the high roughness and the level of defects such as lack of fusion. The component usually goes through machining and Hot Isostatic Pressing (HIP). In this context, the objective of this work consists on the assessment and physical understanding of the laser remelting process as an alternative to overcome the mentioned issues after the Direct Energy Deposition with Laser (DED-L). Therefore, the productivity can be significantly increased, as the two post processing methods, done in different equipment, will not be necessary. In addition, the thesis also proposes the development of mathematical models able to predict the surface behavior for both DED-L and remelting, which will assist the parametrization stage and also contribute for the reduction of the total number of experiments. The DED-L and remelting were executed in a fiber laser (Yb-Iterbium), with a nominal power of 10 kW. Iron and Inconel 625 powder were used as filler materials in order to compare the results under the same processing conditions. With 2D and 3D measurement equipment, as well as with the Scanning Electron Microscope (SEM), surface variations were quantified. The verification of the level of voids due to lack of fusion was based on transversal macrographs. The results pointed an attenuation of the roughness Ra parameter after the laser remelting near 30 % for iron and 70 % for Inconel. Only the iron samples presented surface homogeneity. The Inconel profile had lateral deformations. After remelting, the iron samples showed a reduction of approximated 8 % to 2 % in the void area due to lack of fusion, while for the Inconel samples, this reduction was from approximated 6 % to 4 %. The empirical models developed for DED-L and remelting were validated and presented a maximum error around 10 % for the input parameters located in the studied range considering iron and Inconel.Pereira, MiltonWeingaertner, Walter LindolfoUniversidade Federal de Santa CatarinaPaes, Luiz Eduardo dos Santos2020-10-21T21:07:36Z2020-10-21T21:07:36Z2019info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis188 p.| ils., gráfs., tabs.application/pdf364401https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/214597porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-10-21T21:07:36Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/214597Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-10-21T21:07:36Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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