Simulação do processo de fabrico

A simulação de processos de fabricação aditiva de metais é uma ferramenta inovadora e necessária para existir um bom aproveitamento de todas as potencialidades que a fabricação aditiva, como tecnologia introduz.

A diminuição de erros associados a esta tecnologia pode ser alcançada através de softwares de simulação de processos de fabrico. A previsão de defeitos, falhas, empenos e até a interferência que o sistema de recobrimento (sistema que faz a deposição da nova camada de pó) possa ter no componente a ser fabricado pode ser previsto antes de se proceder à impressão. É possível ver falhas de design que possam ser rapidamente ajustadas, as possíveis deformações dos componentes e criar contra deformações, e a possível falha de suportes. Logo, é possível a obtenção de componentes finais com apenas uma tentativa de fabrico, assim minimizando tempos de produção, matéria-prima (pós metálicos) e custos associados.

Sendo assim, procedeu-se à simulação do processo de fabrico, utilizando o software AdditiveLab, de modo a prever os resultados do fabrico dos componentes e possíveis deformações e falhas.

É de salientar que as execuções das simulações do processo de fabrico realizadas durante esta dissertação foram executadas com alguma dificuldade, sendo o computador utilizado limitado pelo seu hardware, limitando os parâmetros de malha utilizados usando uma mais grosseira, não obtendo resultados muito precisos.

5.4.5. Resultados da Simulação

Ao finalizar a simulação do processo de fabrico, obtiveram-se diversos resultados para análise. Estes resultados foram utilizados para prever as possíveis deformações e falhas na produção dos componentes, assim como identificar os possíveis problemas de design ou até efetuar alterações necessárias para a um fabrico bem-sucedido.

Os parâmetros de análise para ambos os componentes foram as seguintes: as tensões internas para a verificação da existência, de falhas estruturais do componente ou falha dos suportes, o deslocamento relativo à geometria original e a interferência com o sistema de recobrimento.

A verificação de falhas estruturais ou falhas de suportes, pode ser executada através da análise de tensões internas, caso o material possua uma tensão de cedência menor que as tensões criadas pelo processo, poderá existir a possibilidade da ocorrência de deformações ou ainda da fratura do componente. Como, não foram possíveis de obter resultados experimentais do comportamento mecânico do material utilizado, utilizaram- se os dados do fornecedor (anexo 3). O software tem a possibilidade de distinguir tensões em diferentes eixos, o valor de 255 MPa serviu de referência como limite de tensão, sendo este o valor médio da tensão de cedência entre o eixo z e os eixos x e y do material utilizado. Para uma análise crítica da estrutura de suporte foi considerada a experiência obtida pela realização de simulações de vários componentes com o mesmo material e os mesmos parâmetros. Na ausência de um valor certo para a verificação da falha de suportes, foi utilizado o limite de 150 MPa, dado ser a recomendação da equipa AdditiveLab para o tipo de suportes utilizados, existindo o aviso que este valor é apenas indicativo.

Os resultados de deslocamento representam a deslocação do componente durante o processo de fabrico relativamente à geometria original, em qualquer instante da produção. As tensões internas criadas pela expansão e contração do metal, devido a grandes gradientes térmicos inerentes ao processo, criam deformações que podem ser representadas pelo desvio da geometria desejada.

As distorções introduzidas nos componentes durante o processo de fabrico são, um problema associado à tecnologia de fabrico, as quais podem originar peças finais defeituosas e inadequadas. Este problema é ainda mais significativo quando as distorções

no componente são na direção de fabrico, dependendo da grandeza destas poderá existir interferência com o sistema de recobrimento. Esta interferência pode ser significativa, podendo resultar na movimentação dos componentes na mesa de fabrico, a deterioração do sistema e do componente ou até a paragem do processo de fabrico. Um dos scripts que o software AdditiveLab possui é a análise de regiões críticas. Esta análise identifica o deslocamento, em relação à geometria original, na orientação da direção de fabrico. O resultado desta análise, permite identificar quais as regiões nos componentes que podem interferir com o sistema de recobrimento.

5.4.5.1. Base

5.4.5.1.1. Falha do componente e da estrutura de suporte

Na Figura 31 é possível a visualização dos resultados obtidos na simulação do processo de fabrico quanto às tensões internas após a finalização do processo.

Figura 31 - Resultado da simulação do processo referente às tensões internas (base).

A figura anterior indica que o processo de fabrico não será bem-sucedido sendo que o componente possui áreas onde as tensões são superiores à tensão de cedência do material.

Ao visualizar a estrutura de suporte (Figura 32), vê-se que toda esta se encontra numa região onde as tensões são superiores a 150 MPa. Isto indica que a estrutura de suporte utilizada também não será a mais indicada.

Figura 32 - Resultado da simulação do processo referente às tensões dos suportes (base).

Para a resolução deste problema, utilizou-se uma estrutura mais robusta (Figura 33) nas quatro extremidades do componente. Estes suportes maciços terão a função de suportar maiores tensões, servindo de pontos de ancoragem impedindo a deformação do componente.

Ao serem mais densos do que os outros suportes, estes são mais efetivos no escoamento de calor, para a plataforma de fabrico, de forma mais eficaz, reduzindo significativamente as tensões causadas pelos gradientes térmicos. Também se pode observar que a estrutura de suporte, que continua semelhante à original, esta apresenta menos tensões menores, o que significa que esses suportes não tendem a falhar.

Na Figura 34 pode-se visualizar o resultado com a solução apresentada na figura anterior. As regiões onde as tensões são maiores não se destacam e a peça, de modo geral, não apresenta tensões internas muito elevadas. Logo, é possível concluir que não haverá falha do componente ou dos suportes durante o processo de fabrico.

Figura 33 - Resultado da simulação do processo, visualização dos suportes modificados (base)

5.4.5.1.2. Deslocamento

Na Figura 35 podem-se verificar os resultados para a análise de deslocamento relativamente à geometria original após a conclusão do fabrico do componente.

Figura 35 - Resultado da simulação do processo, deslocamento (base).

Analisando a figura anterior, pode-se facilmente visualizar no componente, uma pequena variação face à geometria original. A maior variação de posição é de 0,376 mm, o que não é muito crítico visto que este deslocamento é muito localizado sendo o deslocamento médio inferior às tolerâncias admissíveis para esta tecnologia que são de ±0,125 mm. Como as tensões não são elevadas, este resultado já seria expectável, pois as deslocações seriam mínimas. No entanto, ainda será possível diminuir a deslocação do componente para uma maior precisão geométrica, sendo necessário efetuar um pré- aquecimento da câmara e da plataforma de fabrico, assim como do pó metálico. Estas alterações iriam diminuir os gradientes térmicos do processo, resultando numa redução das tensões internas.

5.4.5.1.3. Interferência com o sistema de recobrimento

Os resultados da análise de regiões críticas, simulados com o AdditiveLab permitem prever a eventualidade da interferência entre a peça e o sistema de recobrimento. A Figura 36 apresenta o resultado da análise das regiões críticas ou as deslocações no sentido da direção de fabrico.

Figura 36 - Resultado da simulação do processo de fabrico, análise das regiões críticas (base)

A análise dos resultados de regiões críticas mostram que com uma espessura de camada de aproximadamente 0,060 mm não existe uma interferência significativa entre a peça e o sistema de recobrimento. Assim sendo, após esta análise é possível concluir que o fabrico deste componente será bem-sucedido.

5.4.5.2. Concha

5.4.5.2.1. Falha do componente e da estrutura de suporte

Na Figura 37 encontram-se os resultados obtidos na simulação do processo de fabrico, relativos às tensões internas após a finalização do processo.

Figura 37 - Resultado da simulação do processo de fabrico indicando as tensões internas (concha).

Com a análise dos resultados da figura anterior, confirma-se a possibilidade da ocorrência de falhas estruturais da peça e a elevada probabilidade de falha da estrutura dos suportes; as regiões a vermelho são regiões em que as tensões são iguais a ou superiores a 255 MPa. Sendo 255 MPa a tensão de cedência do material utilizado, pode prever-se uma deformação significativa nas regiões a vermelho.

A estrutura de suporte também apresenta tensões elevadas, mesmo com a utilização da modificação de suportes usada no componente anterior.

Para a produção deste componente com a forma atual seria necessário um pré- aquecimento da câmara e da plataforma de fabrico, assim como do pó metálico. Como já referido, desta forma poder-se-ia diminuir os gradientes térmicos causados pelo processo, e consequentemente, as tensões internas. Alternativamente, a utilização de outros tipos de suporte mais maciços poderá também ser uma solução, no entanto esta alternativa trará custos superiores na etapa de pós-processamento, visto a remoção deste ser de difícil execução. Sendo paredes finas, a ocorrência de danos causados no pós- processamento desta peça é muito provável. É aconselhado a utilização de um pré- aquecimento antes do fabrico do componente a um pós-processamento mais moroso e dispendioso.

5.4.5.2.2. Deslocamento

Na Figura 38 podem-se observar os resultados da análise de deslocamento relativamente à geometria original após a conclusão do fabrico do componente.

Figura 38 - Resultado da simulação do processo de fabrico relativos ao deslocamento (concha).

Da análise dos resultados apresentados na figura anterior, pode-se observar que as tensões com origens no processo de fabrico, resultam na deformação da geometria. A deformação máxima é de 0,325 mm e localiza-se nas regiões a vermelho. Embora as tensões nos suportes, analisadas anteriormente, fossem elevadas, esta simulação indica que o deslocamento nessa zona é quase nulo. Esta situação advém da boa fixação e ancoragem das quatro estruturas de suporte nas quatro pontas do componente.

É possível concluir que a estrutura de suporte possui a capacidade para suportar as tensões internas geradas durante o processo, não existindo falhas estruturais ou do suporte. No entanto, devido às tensões internas, o componente poderá fraturar quando for removido da plataforma de fabrico, porque as tensões serão libertadas e poderão provocar deformações significativas. Em casos destes, é aconselhável efetuar um tratamento de alívio de tensões antes da remoção do componente da plataforma de fabrico, desta forma estas deformações serão minimizadas, não existindo o risco de a peça fraturar.

5.4.5.2.3. Interferência com o sistema de recobrimento

Na Figura 39 pode-se observar o resultado da análise das regiões críticas. Como já mencionado neste documento, este script apresenta as deslocações no mesmo eixo que a direção de fabrico e assim pode-se verificar a existência de interferência com o sistema

de recobrimento. O sistema de recobrimento interfere com o fabrico do componente quando a deslocação é maior do que a espessura da camada.

Figura 39 – Resultado da simulação do processo de fabrico indicando as regiões críticas (concha).

No fabrico deste componente utilizou-se uma espessura de camada de ≈0,060mm, no entanto, este componente apresenta deslocações superiores a esse valor e, consequentemente, as interferências com o sistema de recobrimento são significantes. Esta situação compromete o fabrico bem-sucedido deste componente. Para a resolução deste problema, a solução aconselhada é o recurso à solução descrita anteriormente para diminuir as tensões através da diminuição dos gradientes térmicos com um pré- aquecimento da câmara e plataforma de fabrico.