Simulação numérica dos ciclos térmicos do processo de manufatura aditiva por meio do método de elementos finitos

Abstract

O processo de manufatura aditiva por soldagem à arco ganhou importância no cenário industrial por viabilizar a confecção de componentes com geometria complexa de uma maneira mais simples quando comparado à processos de fabricação tradicionais. Esse trabalho desenvolveu um modelo numérico pelo Método de Elementos Finitos para representação do comportamento térmico do empilhamento de cinco cordões de solda sobre uma chapa para quatro condições de soldagem diferentes (G1, G2, G3, G4). Experimentos foram realizados para o desenvolvimento e posterior validação do modelo. Houve a aquisição de dados nos experimentos para avaliação do ciclo térmico em três posições diferentes através de três termopares (T1, T2 e T3). O modelo de Goldak foi utilizado como fonte de calor utilizando parâmetros geométricos da poça de fusão referente à cada condição de soldagem. Testes com diferentes conjuntos de condições de contorno foram realizados para verificar qual conjunto melhor representaria o comportamento observado nos experimentos. Um processo de convergência de malha foi realizado para verificar qual nível de discretização de geometria proporcionaria um resultado convergente com menor tempo de processamento possível. Uma modelagem específica foi utilizada para representar o comportamento de deposição dos cordões de solda durante o empilhamento. O desvio médio entre as temperaturas de pico obtidas na simulação e no experimento para o empilhamento dos três primeiros cordões para a condição G1 foi menor que 10%. Para os dois cordões subsequentes, o desvio médio aumentou. Na generalização do modelo, apenas os ciclos térmicos obtidos na simulação para a condição G2 apresentaram resultados satisfatórios. Foi observado que o modelo de fonte de calor de Goldak pode não ser ideal para situações onde há variações nos parâmetros de soldagem e dimensões de poça de fusão, o que pode acontecer durante o empilhamento de cordões de soldagem.

The process of wire-arc-additive manufacturing gained importance in the industrial scenery by enabling the production of componentes with complex geometry in a simpler way when compared to tradicional manufacturing processes. This work developed a numerical model through the Finite Element Method to represent the thermal behavior of the deposition of five layers on the top of a plate using four different welding conditions (G1, G2, G3, G4). Experiments were made to develop and validate the model afterwards. There was data acquisition during the experiments to evalute the thermal cycle in three different spots through three thermocouples (T1, T2 and T3). The Goldak model was used as heat source considering the geometrical parameters of the welding pool from each welding condition. Tests with different boundary condition sets were made to check which set would better represent what was observed during the experiments. A process of mesh convergency was made to check which level of geometry discretization would give a convergent result with minimal processing time. A specific modelling approach was used to represent the layer deposittion behavior during the piling up of weld beads. The average deviation between the simulated and experimental peak temperatures for the deposition of the three first layers using the welding condition G1 was under 10%. The deposition of the later two layers had a greater average deviation. For the model generalization, only the welding condition G2 presented satisfactory results. It was observed that the Goldak heat source model might not be ideal for situations where the welding parameters and the welding pool dimensions vary, what might happen during the piling up of layers.