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
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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
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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
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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
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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.