Método de reutilização de pó de aço inoxidável 316L processado por deposição por energia direcionada a laser

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gutjahr, Jhonattan
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247297
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Método de reutilização de pó de aço inoxidável 316L processado por deposição por energia direcionada a laserEngenharia mecânicaManufatura aditivaTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.As tecnologias de manufatura aditiva estão mudando os paradigmas dos processos de fabrica-ção, levando grandes setores da indústria à sua adoção para a solução de problemas de projeto, processos e cadeia de suprimentos que não podem ser plenamente satisfeitos pelas técnicas convencionais de manufatura. No processo L-DED ? Laser Directed Energy Deposition (de-posição por energia direcionada à laser), um feixe laser funde localizadamente um material de adição, de forma que a sobreposição de cordões e consecutiva sobreposição de camadas torna possível a construção de peças tridimensionais de alta qualidade. No processo L-DED com utilização de pós metálicos, as características intrínsecas das partículas são fatores determinan-tes na qualidade e estabilidade do processo. O processo L-DED possui uma baixa eficiência de integração do pó metálico ao componente, de forma que o pó não consolidado é desperdi-çado, elevando o custo de fabricação. A reutilização do pó metálico não integrado ao compo-nente é uma alternativa para diminuição dos custos do processo. Todavia, parte do pó metálico não consolidado sofre alterações, decorrentes da interação com o feixe laser e da exposição à atmosfera rica em oxigênio, afetando sua composição química, morfologia, distribuição de tamanho de partícula e escoabilidade. Estes efeitos de degradação afetam o comportamento do processo e, consequentemente, do componente fabricado. Este trabalho visa compreender os efeitos do reúso da matéria-prima na degradação do pó metálico e a determinação da in-fluência da degradação nas características de desempenho do material resultante do processa-mento por L-DED, utilizando a liga de aço inoxidável 316 L. Um método orientativo para o reúso de pós no processo L-DED é apresentado, definindo procedimentos de manipulação, recondicionamento, armazenagem e caracterização dos pós metálicos, mitigando efeitos de contaminação do material. Um componente com uma geometria padrão foi concebido, visando a manutenção das condições de degradação em todas as interações de reúso. Oito ciclos com-pletos de reúso foram avaliados, sem a adição de matéria-prima virgem à cada interação, de forma a não mascarar os efeitos contínuos de degradação. Os pós metálicos foram avaliados quanto à distribuição de tamanho de partículas, morfologia, reologia, presença de descontinui-dades e composição química (elementos de liga e O2, N2, H2). Para a identificação e rastrea-mento da degradação e sua progressão, os componentes fabricados foram submetidos a ensai-os de tração, Charpy e microdureza, bem como à análise de composição química, microestrutu-ra, densidade e de presença de descontinuidades. Os pós metálicos apresentaram tendência de redução do tamanho de partícula, aumento da circularidade, e diminuição da energia básica de fluidez em decorrência do reúso. A composição química mostrou-se estável em todas as inte-rações, inclusive quanto ao nível de oxigênio. O desempenho mecânico do material não foi afetado em decorrência do reúso, atendendo aos critérios estabelecidos na norma ASTM A240/240M quanto à tensão máxima, tensão de escoamento e alongamento. A microestrutura se mostrou estável e a presença de descontinuidades, tais como falta de fusão e porosidades, diminuíram com a progressão do reúso, apresentando aumento de densidade entre o primeiro e o último ciclo. O método aplicado mostrou-se eficiente na mitigação de efeitos de degradação, rastreamento das características da matéria-prima e redução da influência do reúso sobre o material produzido. Não foi possível identificar um limite máximo de reutilização e degrada-ção do pó metálico em decorrência do reúso após 8 ciclos de reúso. A reutilização da matéria-prima no processo L-DED se mostrou viável e uma solução para aumento da eficiência global do processo, bem como redução de custos, beneficiando a tecnologia de L-DED e setores da indústria, sobretudo quanto à fabricação de componentes de grandes dimensões.Abstract: The additive manufacturing is changing the manufacturing process paradigms, taking large industry clusters to adopt the technology to solve limitations related to design, process, and supply chain, that were not fully satisfied by the conventional manufacturing processes. On the L-DED (Laser Directed Energy Deposition) process, a laser beam melts locally a filler ma-terial, in such a way that a bead overlapping and a consecutive overlayer building strategy makes possible the production of high-quality tridimensional parts. In the L-DED with metal-lic powder feedstock, the intrinsic powder characteristics are decisive on the process stability and quality. Under normal process conditions, the L-DED have a small powder capture effi-ciency. The material not melted is wasted, significantly increasing the manufacturing costs. The reuse of powder feedstock not captured on the process is an alternative to reduce the pro-cess costs. However, the not consolidated powder suffers a degradation effect caused by the laser beam interaction and the exposure to the atmosphere rich in oxygen. The powder degra-dation affects the process behavior and, consequently, the material performance. This work aims the understanding of the powder reuse effects on the feedstock characteristics and to determine the influence of this degradation on the L-DED processed material, using the stain-less steel 316L alloy. A method for powder reuse for the L-DED process is presented, defin-ing procedures for powder manipulation, reconditioning, stocking, and characterization tech-niques, aiming to mitigate the contamination effects of the material. A standard build geome-try was designed with the objective to maintain similar degradation conditions in all reuse interactions. Eight complete reuse cycles were evaluated, with no addition of virgin powder in each reuse cycle, stablishing a continuous degradation condition. The metal powder was char-acterized in terms of particle size distribution, morphology, rheology, internal discontinuities, and chemical composition (alloying elements and O2, N2, H2). For the identification and track-ing of degradation and its progression, the manufactured specimens were submitted to tensile, impact Charpy, microhardness, density, and discontinuities evaluation. The powder feedstock presented trends of particle size reduction, increase of the circularity, and reduction of the basic flowability energy as consequences of reuse. The chemical composition did not change across the reused cycles, not even the oxygen. The mechanical performance of the material was not affected as consequence of reuse, reaching the ASTM A240/240M criteria regarding ultimate tensile strength, yield stress and elongation. The microstructure was stable and the presence of discontinuities, such as lack of fusion and porosities, decreased with the progres-sion of reuse, showing an increase in density between the first and the last cycle. The method-ology applied proved to be efficient to mitigate the effects of degradation, for powder feed-stock characteristics traceability, and to minimize the influence of reuse on the material pro-duced with L-DED. It was not possible to identify a maximum limit of reuse and degradation of the metallic powder due to reuse after 8 complete cycles. The reuse of powder feedstock for the L-DED process proved to be viable and a solution to increase the process overall effi-ciency, as well as cost reduction, benefiting the L-DED technology and sectors of the indus-try, especially regarding the manufacturing of large-scale parts.Pereira, MiltonWeingaertner, Walter LindolfoUniversidade Federal de Santa CatarinaGutjahr, Jhonattan2023-06-28T18:24:26Z2023-06-28T18:24:26Z2022info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis256 p.| il., gráfs.application/pdf380616https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/247297porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-06-28T18:24:26Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/247297Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732023-06-28T18:24:26Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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