Modelagem e simulação numérica aplicada a manufatura aditiva por deposição a arco elétrico

Abstract

A Manufatura Aditiva por deposição a arco elétrico consiste em um processo de deposição de metal utilizando consumível na forma de arame e o arco elétrico como fonte de energia. Devido às elevadas temperaturas geradas neste processo, necessárias para promover a fusão e deposição do material, fenômenos físicos complexos podem ser observados nas peças nais/resultantes, tais como, por exemplo, tensões residuais e distorções, que são capazes de provocar variações dimensionais nos componentes fabricados. Para prever os efeitos destes processos na qualidade nal dos produtos, análises numéricas por elementos nitos vêm sendo desenvolvidas e amplamente aplicadas. Sendo assim, este trabalho propôs o desenvolvimento de um modelo utilizando o método de elementos nitos para simular as temperaturas de pico e ciclos térmicos de peças fabricadas por manufatura aditiva por deposição a arco elétrico. Para comprovar a e cácia do modelo proposto, foi realizada uma validação experimental comparando as temperaturas e ciclos térmicos medidos e simulados. Por m, o modelo desenvolvido também foi aplicado para simular deposições realizadas utilizando arames com diferentes composições químicas, parâmetros de deposição e número de camadas. Por meio dos resultados alcançados, foi possível concluir que o modelo proposto permite simular quantitativamente as temperaturas e ciclos témicos em deposições por manufatura aditiva por deposição a arco elétrico em meio as diferentes condições impostas. Em complemento, uma vez que o modelo numérico da fonte de calor é de grande relevância neste tipo de análise, realizou-se uma comparação entre os modelos de fonte de calor duplo elipsoide de Goldak e um segundo modelo, o qual utiliza uma combinação de elipsoides a m de modelar diferentes formas para a poça de fusão (modelo Duplo Bi-Elipsoide). Como não foram observadas diferenças computacionais signi cativas com a introdução do modelo Duplo Bi-Elipsoide, foi possível concluir que o mesmo é mais adequado para aplicação nestes casos de manufatura aditiva por deposição a arco elétrico.

Wire and Arc Additive Manufacturing consists of a metal deposition process using wirefeed and the electric arc as an energy source. Due to the high temperatures generated in this process, necessary to promote the material fusion and deposition, complex physical phenomena can be observed in the nal/resulting parts, such as, for example, residual stresses and distortions, which are capable of causing dimensional variations in the components manufactured. To predict the e ects of these processes on the nal quality of the products, numerical analysis by nite elements have been developed and widely applied. Therefore, this work proposed the development of a model using the nite element method to peak temperatures and thermal cycles simulate of parts manufactured by wire and arc additive manufacturing. To prove the e ectiveness of the proposed model, an experimental validation was carried out comparing the measured and simulated temperatures and thermal cycles. Finally, the developed model was also applied to simulate depositions carried out using wires with di erent chemical compositions, deposition parameters and number of layers. Through the achieved results, it was possible conclude that the proposed model allows the quantitative temperatures and thermal cycles simulation in wire and arc additive manufacturing amid the di erent imposed conditions. In addition, since the heat source model is of great relevance in this type of analysis, was made a comparison between the Goldak's double-ellipsoid heat source model and a second model, which uses a combination of ellipsoids in order to model di erent shapes for the weld pool (Double Bi-Ellipsoid model). As no signi cant computational di erences were observed with the introduction of the Double Bi-Elipsoid model, it was possible to conclude that it is more suitable for application in these cases of wire and arc additive manufacturing.