PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ESTUDO DO PROCESSO DE MANUFATURA ADITIVA CONSIDERANDO AS DIFERENTES ORIENTAÇÕES DE DEPOSIÇÃO DE MATERIAL Mestranda: Gislaini Andrezza Santos Orientador: Professor Dr. Lincoln Cardoso Brandão São João Del Rei, agosto, 2023 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .............................................................................................. 3 2. OBJETIVOS .................................................................................................. 3 3. JUSTIFICATIVA ........................................................................................... 4 4. REVISÃO DA LITERATURA ......................................................................... 4 5. METODOLOGIA ........................................................................................... 7 6. CRONOGRAMA............................................................................................ 8 7.ORÇAMENTO ................................................................................................ 9 REFERÊNCIAS .............................................................................................. 10 1. INTRODUÇÃO A manufatura aditiva (MA), também conhecida como impressão 3D na fabricação de peças em material polimérico, é uma técnica de fabricação que envolve a criação de objetos tridimensionais sobrepondo camadas de material. A soldagem MIG/MAG é uma técnica de união de metais que utiliza um arco elétrico para fundir e unir peças metálicas em geral. Embora a manufatura aditiva se baseie na construção de peças por meio de deposição de filamentos e a soldagem MIG/MAG seja um processo de união de partes metálicas para a construção de um produto, eles podem ser combinados para produzir peças metálicas complexas e de alta precisão. A soldagem MIG/MAG na manufatura aditiva pode ser utilizada para produzir camadas de materiais impressos com uma boa resistência e durabilidade das peças. A resistência e qualidade da peça são dependentes dos parâmetros de soldagem (diâmetro do arame, velocidade de deposição, vazão do gás de proteção, corrente do arco e etc.). Essa combinação de técnicas pode ser particularmente útil na produção de componentes metálicos personalizados de alto desempenho, como componentes de máquinas, componentes aeroespaciais e equipamentos médicos. Entretanto, é preciso ressaltar que a utilização da soldagem MIG/MAG na manufatura aditiva requer conhecimento técnico e habilidades dos profissionais competentes para garantir a qualidade e segurança das peças produzidas. O estudo da manufatura aditiva com MIG/MAG está em constante evolução, pois muitas melhorias precisam ser implementadas para que o material final tenha uma boa qualidade superficial e boas propriedades mecânicas. Recentemente muitos autores (KANNAN et al., 2021; KHAN; MADHUKAR, 2021; LIU et al., 2020; ORTEGA et al., 2019; YU et al., 2021 e entre outros) promoveram grande contribuição para a área. 2. OBJETIVOS Desenvolver a técnica de manufatura aditiva a partir do processo MIG, considerando as variáveis: velocidade de deposição, vazão de gás de proteção, 3 corrente do arco elétrico, sentido de deposição e resfriamento intercamadas. Serão confeccionados diversos corpos de prova e analisados a composição química, resistência a tração e à flexão, dureza e a necessidade de processamentos posteriores ou acabamentos específicos em função do produto investigado. 3. JUSTIFICATIVA A manufatura aditiva por MIG/MAG é uma tecnologia que está em constante evolução. Entretanto, ainda é um processo limitado para geometrias de simples e média complexidade. Além disso, as peças produzidas são, na maioria, de médio a grande porte. Logo, é necessário fazer o estudo da variação dos parâmetros deste processo para permitir a fabricação de peças menores e com melhor qualidade e com alto nível de complexidade. Desta forma, esse estudo tende a contribuir tanto tecnicamente quanto cientificamente. 4. REVISÃO DA LITERATURA O processo de soldagem por MIG/MAG, também conhecido como GMAW (Gas Metal Arc Welding), é um processo cujo objetivo é unir peças metálicas através do aquecimento destas por meio de um arco elétrico gerado entre um arame metálico consumível e a peça de trabalho (MODENESI, 2009). Este tipo de soldagem pode ser semiautomático ou automático, sendo subdividido em dois processos, MIG (Metal Inert Gas) e MAG (Metal Active Gas). O uso destes gases é necessário para a proteção da poça de fusão, sendo ele inerte ou ativo (WAINER, 2004). No processo semiautomático apenas a alimentação do arame é feita de forma automática, o restante do processo é realizado de forma manual pelo operador. Por outro lado, o processo automático é completamente robotizado, ou seja, tem pouca influência do operador. Além disso, é uma técnica que permite uma maior velocidade de soldagem e, assim, diminuindo o tempo de produção. Este processo também permite a soldagem de peças finas, devido ao maior controle das variáveis de soldagem (AWS, 1997). Entre algumas vantagens do processo GMAW têm-se: é o único processo de eletrodo consumível disponível para todos os metais e ligas comerciais; pode soldar em todas as posições; alta taxa de deposição; e limpeza mínima após a soldagem, devido à ausência de escória pesada. Entretanto, este processo também possui algumas desvantagens, como: equipamento de soldagem complexo, caro e pouco portátil; o arco necessita estar protegido contra correntes de ar que possam dispersar o gás de proteção; resulta em altos níveis de calor e radiação, podendo resultar na resistência do operador ao processo (BRACARENSE, 2005). Conforme a norma ASTM F2792 – 12a (2013), a manufatura aditiva por deposição a arco (MADA), também conhecido como WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), está classificada como deposição de energia direta. Essa categoria é definida como um processo de fabricação aditiva por meio de uma energia térmica concentrada que funde o material por fusão à medida que são depositados. O MADA é baseado nos conceitos fundamentais dos processos de soldagem automatizados, como: GMAW, soldagem por arco plasma (PAW – Plasma Arc Welding) e o processo de soldagem TIG (GTAW – Gas Tungsten Arc Welding) (RODRIGUES et al., 2019). Para a implementação dessa tecnologia é necessário equipamento de soldagem padrão, como: fonte de energia de soldagem, tochas e sistemas de alimentação do arame. Para a construção de peças deve-se ter uma movimentação da tocha, sendo essa feita por sistemas robóticos controlados com um auxílio de um computador (WILLIAMS, 2016). A espessura do cordão a ser depositado deve ser considerado no projeto a ser realizado. As características do cordão de solda são funções da taxa de deposição do arame, corrente do arco, velocidade da tocha, temperatura de préaquecimento e de interpasse e, deslocamento do arame. Logo, por meio da variação desses parâmetros haverá uma alteração na característica do cordão de solda (GREER, 2019)(GREER, 2019). O ensaio de tração pode ser utilizado para avaliar várias propriedades mecânicas dos materiais. Neste é utilizado um corpo de prova deformado axialmente, comumente até a sua fratura, devido a uma carga de tração que é gradativamente crescente. Normalmente, o corpo de prova tem seção reta circular e na região central deste há uma seção menor do que nas extremidades, é nesta região em que a deformação por tração é contida (CALLISTER, 2002). A máquina utilizada tem como intuito alongar o corpo de prova a uma taxa constante, medindo de forma contínua e simultânea a carga aplicada e os alongamentos resultantes (ABREU JUNIOR, A. L. S. PIMENTEL, 2016). O ensaio de flexão é utilizado, principalmente, para definição do módulo de ruptura (resistência ao dobramento) e também o módulo de elasticidade. Para a execução deste teste um corpo de prova, de qualquer seção geométrica, deve ser apoiado em dois apoios distanciados entre si. A carga deve ser aplicada no centro do corpo de prova, sendo aumentada até que o material se rompa. Por meio da carga máxima atingida no ensaio é calculado o módulo de ruptura e módulo de elasticidade (SOUZA, 1982). A dureza é uma propriedade mecânica dos materiais, sendo definida como a resistência do material ao risco ou à formação de uma marca permanente feita a partir de outro material, ou marcadores padronizados. Os penetradores, utilizados no ensaio de dureza, possuem um formato padronizado e estes são pressionados contra a superfície do material em condições específicas de précarga e/ou carga, assim, causando inicialmente uma deformação elástica com posterior deformação plástica. Na superfície do material forma-se uma marca e por meio dela é feito uma medição da sua área ou profundidade, que são correlacionadas a um valor numérico que representa a dureza do material. A correlação é feita a partir da tensão que o penetrador precisa para vencer a resistência da superfície do material (GARCIA; SPIM; DOS SANTOS, 2012). A espectrometria de emissão óptica de plasma é dada por uma amostra, com seus átomos excitados. Quando esses retornam à posição de baixa energia, os raios de emissão são liberados. Os raios de emissão que correspondem ao comprimento de onda do fóton são medidos. O tipo de elemento é detectado com base na posição dos raios dos fótons e o conteúdo dos elementos é determinado pela intensidade desses raios. Para a geração do plasma é necessário a utilização do gás argônio na bobina da tocha e a utilização de corrente elétrica de alta frequência aplicada à bobina de trabalho. Com este procedimento formase um campo eletromagnético que gera o plasma, este possuindo alta densidade de elétron e temperatura em torno de 10000 K. O plasma tem como intuito promover a agitação e emissão da amostra (GHOSH, 2013). 5. METODOLOGIA Os experimentos serão desenvolvidos no laboratório de fabricação da Universidade Federal de São João Del Rei, onde será utilizado o equipamento de soldagem MIG/MAG da marca Mega Plus 250 para a impressão de paredes metálicas. O possível arame a ser utilizado no processo MADA será o ER70S (arame de aço) com 1 mm de diâmetro. O gás de proteção utilizado será uma mistura de 75% de Argônio e 25% de CO2. A deposição do arame será feita com diferentes parâmetros para observar possíveis alterações em sua composição química e propriedades mecânicas. Inicialmente serão feitos alguns testes com diferentes parâmetros para verificar quais produzirão deposições com melhor aspecto visual e geométrico. Os melhores parâmetros serão utilizados para verificar as propriedades químicas e mecânicas do produto. Será feito a usinagem de corpos de prova nas paredes produzidas pelo processo MADA, retirando amostras na direção transversal e longitudinal de deposição. Esses corpos de prova serão encaminhados para o ensaio de tração e de flexão, possibilitando analisar diferentes propriedades mecânicas devido à variação nos parâmetros do processo da MADA. Também serão retiradas amostras para análise química e medição da dureza do material. A análise química permitirá adquirir a composição química das paredes e verificar as diferenças de composição do arame com a parede produzida pelo processo MADA. Já a medição de dureza, permitirá verificar a dureza das camadas depositas. Todos os mesmos ensaios empregados nas amostras fabricadas pelo processo MADA também serão feitos para um material de composição semelhante ao do material depositado. Este tem como intuito verificar as diferenças nas propriedades mecânicas de um material produzido por MADA e por um processo de fabricação convencional. 6. CRONOGRAMA O estudo do processo de manufatura aditiva por deposição a arco será dividido nas seguintes fases: 1. Revisão Bibliográfica: pesquisa e leitura de artigos mais relevantes na área a ser estudada; 2. Testes iniciais: testes serão feitos com o arame para verificar os melhores parâmetros para construção das amostras; 3. Planejamento dos experimentos: será feito o planejamento de todos os experimentos realizados, com intuito de avaliar a influência da velocidade de deposição, vazão do gás de proteção, intensidade do arco e o tempo de resfriamento intercamadas ; 4. Confecção das amostras pelo processo MADA; 5. Realização de ensaios: ensaio de tração, microdureza e de flexão e a espectrometria serão realizados; 6. Análise dos resultados: os resultados obtidos pelos ensaios serão analisados por meio de uma análise de variância, e assim, verificando o melhor resultado de resistência e dureza obtidos; 7. Elaboração da dissertação: será feita a escrita da dissertação. O cronograma das atividades planejadas é apresentado na Tabela 1. Tabela 1. Cronograma de atividades. CRONOGRAMA DE ATIVIDADES Atividades 2023 Ago 1 2 3 4 5 6 7 Set Out 2024 Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul 2025 Ago Set Out Nov Dez Jan 7. ORÇAMENTO A tabela 2 apresenta os custos envolvidos para o desenvolvimento do projeto e aquisição de material de consumo. Tabela 2. Custos referentes ao projeto. Item Quantidade Bolsa 24 Cilindro de gás Valor unitário Valor total R$2.100,00 R$50.400,00 Doado por 3 White - Martins Arame ER 70S 2 R$392,38 $785,96 Justificativa Bolsa de estudo (CAPES) 2 para Gás Argônio e 1 para CO2 Material de consumo Custo para Valor total de projeto R$51.185,96 realização do projeto REFERÊNCIAS ABREU JUNIOR, A. L. S. PIMENTEL, L. S. Análise Experimental Do Comportamento Mecânico Do Polipropileno Em Ensaio De Tração Uniaxial. p. 39, 2016. ASTM INTERNACIONAL. F2792 - 12 a - Standard Terminology for Additive Manufacturing TechnologiesRapid Manufacturing Association. [s.l: s.n.]. Disponível em: <http://www.ciri.org.nz/nzrma/technologies.html>. AWS. Materials and Applications - Part 1. 8a edição ed. MIAMI: AWS, 1997. BRACARENSE, A. Q. Gas metal arc welding. New Developments in Advanced Welding, p. 1–20, 2005. CALLISTER, W. . Ciência e Engenharia de Materiais 2. 5a edição ed. [s.l.] LTC, 2002. GARCIA, A.; SPIM, J. A.; DOS SANTOS, C. A. Ensaios dos mateiais. 2a ed ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. GHOSH, S. Inductively Coupled Plasma: Optical Emission Spectroscopy. Asian Pharm, v. 3, n. 1, p. 24–33, 2013. GREER, C. ET ALL. Introduction to the design rules for Metal Big Area Additive Manufacturing. Additive Manufacturing, v. 27, p. 159–166, 2019. KANNAN, A. R. et al. Microstructure and mechanical properties of wire arc additive manufactured bi-metallic structure. Science and Technology of Welding and Joining, v. 26, n. 1, p. 47–57, 2021. KHAN, A. U.; MADHUKAR, Y. K. Effects of Pillar-Based Substrate on the Wire Arc Additive Manufacturing Process. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, v. 22, n. 7, p. 1311–1321, 2021. LIU, Z. et al. Wire and arc additive manufacturing of 4043 Al alloy using a cold metal transfer method. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, v. 27, n. 6, p. 783–791, 2020. MODENESI, P. J. ET ALL. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2009. ORTEGA, A. G. et al. Characterisation of 4043 aluminium alloy deposits obtained by wire and arc additive manufacturing using a Cold Metal Transfer process. Science and Technology of Welding and Joining, v. 24, n. 6, p. 538–547, 2019. RODRIGUES, T. A. et al. Current status and perspectives on wire and arc additive manufacturing (WAAM). Materials, v. 12, n. 7, 2019. SOUZA, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos: Fundamentos téoricos e práticos. 5a ed. ed. São Paulo: Edgar Blücher, 1982. WAINER, E. ET AL. Soldagem: processos e metalurgia. São Paulo: Edgar Blücher, 2004. WILLIAMS, S. W. ET ALL. Wire + Arc additive manufacturing. Materials Science and Technology (United Kingdom), v. 32, n. 7, p. 641–647, 2016. YU, Z. et al. A practical fabrication strategy for wire arc additive manufacturing of metallic parts with wire structures. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 115, n. 9, p. 3197–3212, 2021.