Andres Owczarzak
MANUFATURA ADITIVA DE MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES EMPREGANDO FUSÃO EM LEITO DE PÓ
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre Engenharia Mecânica. Orientador: Carlos Henrique Ahrens, Dr;
Coorientador: Prof. Paulo Antonio Pereira Wendhausen, Dr.
Florianópolis 2018
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor, através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária
da UFSC.
Owczarzak, Andres MANUFATURA ADITIVA DE MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES EMPREGANDO FUSÃO EM LEITO DE PÓ / Andres Owczarzak ; orientador, Carlos Henrique Ahrens, coorientador, Paulo Antônio Pereira Wendhausen, 2018. 110 p. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018. Inclui referências. 1. Engenharia Mecânica. 2. Manufatura aditiva. 3. Materiais magnéticos moles. 4. Engenharia mecânica. 5. Fusão em leito de pó. I. Ahrens, Carlos Henrique. II. Wendhausen, Paulo Antônio Pereira. III.
Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. IV. Título.
Andres Owczarzak
MANUFATURA ADITIVA DE MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES EMPREGANDO FUSÃO EM LEITO DE PÓ
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de “Mestre em Engenharia Mecânica”,e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
Florianópolis, 20 de Dezembro de 2018. __________________________________________
Prof. Jonny Carlos da Silva, Dr. Eng. Coordenador do Curso
__________________________________________ Prof. Carlos Henrique Ahrens, Dr. Eng. – Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
__________________________________________ Prof. Paulo Antônio Pereira Wendhausen, Dr. Ing. – Coorientador
Universidade Federal de Santa Catarina
Banca Examinadora:
__________________________________________ Prof. Carlos Henrique Ahrens, Dr. Eng.– Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
__________________________________________ Prof. Paulo Antônio Pereira Wendhausen, Dr. Ing.
__________________________________________ Prof. Cristiano da Silva Teixeira, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina __________________________________________
Prof. Fernando Humel Lafratta, Dr. Eng. Universidade do Estado de Santa Catarina
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Dr. Eng. Carlos Henrique Ahrens pela sabedoria e confiança depositada em mim, indispensável para a realização dos trabalhos.
Ao Professor Dr. Ing Paulo Antônio Pereira Wendhausen pelo incentivo profissional e pessoal desde a realização da entrada no programa de pós-graduação e direcionamento para a realização do trabalho de pesquisa. Aos colegas de laboratório Fernando Machuca, Lucas Reibnitz, Bruno Eggert, Cleiton Comelli pela ajuda e companheirismo EM todos os momentos desta jornada.
À Universidade Federal de Santa Catarina e todos os colaboradores que possibilitaram o desenvolvimento desta pesquisa.
Life is short, death is for sure, work is the reason, wind is the cure. (George River)
RESUMO
A possibilidade de fabricação à livre forma oferecida pela manufatura aditiva têm despertado interesse e potencial a ser explorado para a
fabricação de componentes para máquinas e dispositivos
ferromagnéticos. Sabe-se que estas características estão fortemente relacionadas à microestrutura e consequentemente pelo método de processamento empregado para a consolidação do componente. Para a investigação conduzida, amostras de mesma matéria prima foram fabricadas através da técnica convencional de fabricação da metalúrgia do pó de compactação uniaxial utilizando pressões de 150MPa e 900 MPa, comparando-as a amostras produzidas via manufatura aditiva através da fusão em leito de pó utilizando as estratégias de varredura unidirecional, bidirecional e escaneamento anelar. A matéria prima selecionada foi o particulado comercial Höganäs AHC 100.29, à base de ferro, as propriedades magnéticas de remanência, coercividade e permeabilidade foram caracterizadas atgravés de um histeresígrafo para materiais magnéticos moles. Os resultados evidenciaram a dependência das propriedades magnéticas com a densidade e tamanho de grão. A análise metalográfica revelou a heterogeneidade microestrutural das amostras produzidas pela manufatura aditiva com relação à orientação de fabricação. Os resultados mostraram que a manufatura aditiva por fusão em leito de pó pode ser uma interessante alternativa para a fabricação de componentes magnéticos moles. Contudo, ficou evidente a necessidade de aprofundar a pesquisa explorando o controle de parâmetros de fabricação para aumentar a densificação das amostras, alcançando assim maiores valores para magnetização de saturação.
Palavras Chave: Manufatura aditiva, Fusão em leito de pó, Materiais
ABSTRACT
The free form fabrication ability offered by additive manufacturing has awakened interessis and potential to be explored for the fabrication of machine components and ferromagnetic devices. It’s known that those characteristics are related to microstructure and consequently to their processing path. The investigation has occurred fabricating samples from the same raw material trough uniaxial compaction using pressures of 150MPa and 900MPa and comparing to samples produced via pow-der bed fusion produced samples using unidirectional, bidirectional and anealing scan strategies. The selected raw material was the commercial iron based powder Höganäs AHC 100.29, the magnetical properties of remanence, coercivity and permeability were characterized via hystere-sigraph. As expected the results pointed the dependence of magnetic properties to densification and grain size. The metallographic analysis revealed the the microstrutural heterogeneity related to fabrication orien-tation. The results revealed that power bed fusion is an interesting ap-proach for fabricating soft magnetic materials. Nevetheless there’s a necessity on researching fabrication control parameters to amplify com-ponent densification, this way increasing saturation magnetization val-ues.
Keywords: Additive manufacturing, Power bed fusion, Soft magnetic materials, Powder metallurgy.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Curva de indução magnética genérica apresentando duas regiões de magnetização de um material genérico. ...34 Figura 2 – Progresso do desenvolvimento de coercividades dos materiais magnéticos. ...35 Figura 3 – Curva de magnetização genérica para um material ferromagnético. 36 Figura 4 – Loop de histerese genérico. ...37 Figura 5 – Efeito da temperatura de sinterização nas propriedades magnéticas.39 Figura 6 – Medição direta do campo magnético. ...41 Figura 7 – Esquema de medição de toróides. ...42 Figura 8 – Microestrutura de componente fabricado a partir de Fe com 190 ppm de C. (a) fração intersticial de carbono em função do tempo de recozimento a 200ºC. (b) evolução do campo coercivo. (c) formação do domínio magnético em volta dos precipicados de Fe3C. (d) esboço da sequência de interações de um
domínio magnético 180º com uma inclusão, a seta representa a direção de magnetização. ...44 Figura 9 – Distribuição nas aplicações dos componentes produzidos através da manufatura aditiva. ...46 Figura 10 - Sistema genérico de fabricação de um componente via manufatura aditiva. ...47 Figura 11 – Esquematização do processo de manufatura por fusão em leito de pó. ...50 Figura 12 - Mecanismos de união em processos de manufatura por leito de pó. ...52 Figura 13 – Estágios da sinterização no estado sólido. ...53 Figura 14 – Interação laser x matéria prima em um processamento via fusão em leito de pó. ...54 Figura 15 – Esquematização do ângulo de molhabilidade. ...56 Figura 16 – Produção de amostras de manufatura aditiva de Fe-Ni...58 Figura 17 – Velocidade de escaneamento do laser frente às propriedades magnéticas de uma liga de Fe-Ni (70-30%). ...59 Figura 18 – Microscopia eletrônica e análise de composições químicas (EDS) de diferentes tempos de escaneamento (a) 0,1 m/s, (b) 0,4 m/s, (c) 1.6 m/s. ...60 Figura 19 – Microestruturas formadas por um componente produzido via SLS nas condições (a) antes de tratamentos térmicos, (b) 973 K, (c) 1173 K, ...61 Figura 20 – Propriedades magnéticas de uma liga de Fe-Si utilizando-se de diferentes tratamentos térmicos. Em tracejado estão mostradas propriedades típicas de um material produzido via laminação. ...62 Figura 21– Estrutura experimental empregada. ...64 Figura 22 - Geometria das amostras produzidas [mm]. ...65 Figura 23 - (a) Sistema de espalhamento do pó (b) Câmara para controle de atmosfera. ...66 Figura 24 – Mapa de processo da manufatura aditiva do NIMMA. ...68
Figura 25 – Disposição das amostras na plataforma de construção. ... 69
Figura 26 – Tratamento térmico empregado para amostras compactadas. ... 70
Figura 27 – Amostra para medição de propriedades magnéticas. ... 72
Figura 28 – Metodologia da coleta de dados para (a) curva de histerese, (b) curva de permeabilidade por campo aplicado. ... 73
Figura 29 – Estratégia de amostragem para avaliação do sistema de medição. . 74
Figura 30 – Amostras com seções de corte destacadas em vermelho. ... 75
Figura 31 – Distribuição de partícula do pó trabalhado. ... 76
Figura 32 – Componentes produzidos (a) via manufatura aditiva, (b) via compactação. ... 77
Figura 33 – Ampliação de amostra produzida via manufatura aditiva para mostrar efeito do balling... 78
Figura 34 – Curvas de histerese para as peças 900MPa1, 900MPa2 e 900MPa3, com três repetições de medição realizadas para a amostra 1. ... 82
Figura 35– Gráfico de variabilidade para remanência e coercividade. ... 83
Figura 36 – Carta X-barra (a) R (b) para a população do sistema de medição da remanência... 84
Figura 37 - Carta X-barra (a) R (b) para a população do sistema de medição da coercividade. ... 85
Figura 38 – Avaliação do sistema de medição de permeabilidade. ... 86
Figura 39 – Gráfico de variabilidade para permeabilidade máxima. ... 87
Figura 40 - Carta X-barra (a) R (b) para a população do sistema de medição da permeabilidade. ... 88
Figura 41 – Curvas de histerese para amostras produzidas via manufatura aditiva. ... 89
Figura 42 – Permeabilidade para amostras produzidas via manufatura aditiva. 91 Figura 43 - Curvas de indução por campo aplicado para amostras compactadas à 150MPa. ... 93
Figura 44 - Curvas de indução por campo aplicado para amostras compactadas à 900MPa. ... 94
Figura 45 – Relação das propriedades magnéticas com a densidade e processo de fabricação. Em (a) remanência, (b) coercividade e (c) permeabilidade máxima. ... 95
Figura 46 – Análise de correlação entre as propriedades. ... 97
Figura 47 – Imagem metalográfica de amostra produzida via manufatura aditiva com aumento de 40x em (a) seção transverssal e (b) seção longitudinal. ... 99
Figura 48 – Imagens metalográficas de amostras produzidas via compactação à 150MPa (a) e 900MPa(b). ... 100
Figura 49 – Relação entre tamanho de grão e coercividade. Em azul as amostras produzidas via manufatura aditiva, verde às compactadas à 900MPa e vermelho à 150MPa. ... 101
Figura 50 – Carta de amplitude para processo de medição genérico. ... 108
Figura 51 – Carta X-barra para processo de medição genérico. ... 109
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Principais propriedades magnéticas de ligas a base de ferro. ...38
Tabela 2 – Tecnologias de fabricação via manufatura aditiva. ...48
Tabela 3 – Características de processo empregadas em amostras produzidas via manufatura aditiva. ...69
Tabela 4 – Parâmetros de ensaio de histerese magnética. ...71
Tabela 5 – Listagem de diâmetros do pó utilizado. ...76
Tabela 6 – Densidade aparente da matéria prima. ...77
Tabela 7 – Medições dimensionais das amostras fabricadas. ...80
Tabela 8 – Entradas dos parâmetros de medição. ...81
Tabela 9 – Propriedades magnéticas das amostras produzidas por manufatura aditiva. ...92
Tabela 10 – Propriedades magnéticas das amostras produzidas por compactação. ...95
Tabela 11 – Número mínimo de patamares para avaliação do sistema de medição. ...109
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASTM American Society for Testing and Materi-als
CAD Computed Assisted Design
CAM Computer Assisted Manufacturing
DMLS Direct Metal Laser Sintering
EBM Electron Beam Melting
EBW Electron Beam Welding
FDM Fused Deposition Modeling
IEC International Electrotechnical Comission
LABMAT Laboratório de Materiais
LENS Laser Engineered Net Shaping
LMD Laser Metal Deposition
LOM Laminated Object Manufacturing
LPS Liquid Phase Sintering
MAGMA Grupo de Materiais Magnéticos
NIMMA Núcleo de Inovação em Moldagem e
Manufatura Aditiva
PM Powder Metalurgy
RM Rapid Manufacturing
SL Stereolitography
SLM Selective Laser Melting
SLS Selective Laser Sintering
SSS Solid State Sintering
STL Standard Tesselation Language
LISTA DE SÍMBOLOS Alfabeto latino:
B [T] Indução magnética
Br [T] Remanência
H [A/m] Campo magnético aplicado
Hc [A/m] Coercividade Ea [J/mm³] Densidade energética J [T] Polarização l [mm] Caminho magnético m [g] Massa Mr [T] Magnetização remanente Ms [T] Magnetização de saturação P [W] Potência do laser p [MPa] Pressão
s [mm] Distância entre linhas de escaneamento
T [K] Temperatura
tc [K] Temperatura de Curie
V [cm³] Volume
vs [mm/s] Velocidade de escaneamento do laser wh [J/mm³] Perdas de energia
Alfabeto grego:
µ Permeabilidade relativa
µmax Permeabilidade máxima
ῃ [Pa.s] Viscosidade
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 29 1.1 Apresentação do problema ... 29 1.2 Objetivos ... 31 1.2.1 Objetivo geral... 31 1.2.2 Objetivos específicos ... 31 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 32 2.1 Materiais magnéticos ... 32 2.1.1 Propriedades magnéticas ... 32 2.1.2 Processo de magnetização ... 36
2.1.3 Metalurgia dos materiais magnéticos moles ... 38
2.1.4 Tratamento térmico ... 39
2.1.5 Técnicas de caracterização de materiais magnéticos ... 40
2.1.6 Efeito da microestrutura nas propriedades magnéticas ... 43
2.2 Manufatura aditiva ... 45
2.2.1 Considerações gerais ... 45
2.2.2 Etapas e classificações da manufatura aditiva... 46
2.2.3 Manufatura aditiva por fusão em leito de pó ... 50
2.2.4 Propriedades microestruturais características ... 56
2.2.5 Manufatura aditiva de materiais magnéticos moles ... 56
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 63
3.1 Metodologia ... 63
3.2 Matéria prima selecionada ... 64
3.3 Geometria das amostras ... 65
3.4 Fabricação das amostras via manufatura aditiva ... 65
3.4.1 Equipamento ... 65
3.4.2 Procedimento de fabricação ... 67
3.5 Fabricação das amostras via compactação ... 70
3.6 Caracterização das amostras ... 71
3.6.1 Características físicas ... 71
3.6.2 Medição de propriedades magnéticas ... 71
3.6.3 Análise microestrutural ... 75
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 76
4.1 Caracterização da matéria prima ... 76
4.2 Análise qualitativa ... 77
4.3 Avaliação dos dimensionais, massa e densidade ... 78
4.4 Propriedades magnéticas ... 81
4.4.1 Avaliação do sistema de medição ... 81
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS
FUTUROS ... 102
5.1 Conclusões ... 102
5.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 103
REFERÊNCIAS ... 104
APÊNDICE A – METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO SISTEMAS DE MEDIÇÃO ... 108
1 INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação do problema
A manufatura aditiva é definida pela norma ASTM 52900:2015, como sendo um processo de união de materiais para a construção de componentes a partir de um modelo computacional tridimensional por meio da consolidação camada por camada de matéria prima.
De acordo com Shong et al. (2018) a manufatura aditiva converge com conceito de fábricas inteligentes, sendo considerado um dos nove pilares da indústria 4.0 pela sua versatilidade de produção de componentes de geometria complexa sem a necessidade de fabricação de ferramentas.
Com a evolução do processamento de materiais via manufatura aditiva estão surgindo diferentes métodos de realizar a deposição das matérias primas, exemplos são o jateamento de aglutinantes, deposição direta de energia, extrusão de filamentos e fusão em leito de pó. Atualmente é possível realizar a fabricação de produtos acabados com elevados requisitos mecânicos e de precisão dimensional. As indústrias aeronáutica, automotiva, arquitetônica, médica, exploram cada vez mais sua característica de fabricação à livre forma, ou seja, sem a necessidade de construção de moldes ou ferramentas (SINGH et al. 2016).
A busca pela utilização de fontes sustentáveis e renováveis de energia está atrelada à melhoria da eficiência energética de componentes e dispositivos elétricos, tornando pesquisas que visam otimização de desempenho para componentes de máquinas e sistemas de distribuição elétrica, temas recorrentes na publicação de revistas e artigos cienfíficos (GUTFLEISCH et al. 2011).
Indispensáveis em aplicações energéticas, os materiais magnéticos moles têm como principal característica amplificar a magnitude de campos magnéticos induzidos no sistema. Sua utilização está presente em diversos equipamentos magnéticos como solenoides, dispositivos de controle de fluxo, sistemas de frenagem, atuadores, motores e geradores elétricos (LALL, 1992).
Atualmente, para projetos de motores e máquinas elétricas, estão restritos à geometrias simples dos componentes devido à limitação do ponto de vista de manufatura quanto a ângulos e formas de ferramentas. Novas oportunidades de fabricação de componentes compactos, de alta perfomance surgem com a flexibilidade de forma oferecida com a manufatura aditiva (GARIBALDI et al. 2015).
Apesar da vasta experiência de processamento via fusão em leito de pó para diferentes tipos de materiais metálicos como ligas a base de ferro, cobalto ou níquel, pouco conhecimento é registrado a respeito da caracterização das propriedades magnéticas destes componentes (GARIBALDI et al. 2015).
1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo geral
O trabalho tem como objetivo geral investigar a fabricação de componentes magnéticos processados através da manufatura aditiva caracterizando as propriedades magnéticas e comparando a um método tradicional de processamento.
1.2.2 Objetivos específicos
Realizar a comparação entre propriedades magnéticas de amostras de mesma matéria prima utilizando a técnica de fabricação de fusão em leito de pó e compactação uniaxial;
Relacionar as propriedades magnéticas às características físicas das amostras fabricadas nos diferentes processos produtivos;
Avaliar como diferentes parâmetros de processo afetam propriedades das amostras e propor tratamentos para aprimorar a fabricação de componentes magnéticos moles.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Materiais magnéticos
Segundo Wohlfhart (1982) as maiores quantidades de materiais magnéticos estão aplicadas na área de geração e distribuição de energia elétrica. As propriedades desejadas para estes componentes são usualmente alta magnetização de saturação e menores perdas por ciclo. Tipicamente essas propriedades são atendidas por ligas a base de ferro (Fe), com grãos orientados, obtidas através do processo de laminação.
Uma segunda área de importância prática dos materiais magnéticos é a do desenvolvimento de sistemas de armazenamento de dados, onde a quantidade de material para desenvolvimento dos produtos é muito menor, mas sua significância econômica é maior do que para aços elétricos (WOHLFAHRT, 1982).
De acordo com a aplicação do componente fabricado deverão ser atendidos diferentes requisitos do ponto de vista de propriedades. Surgem então classificações quanto às características magnéticas como ferromagnéticos, ferrimagnéticos, paramagnéticos ou diamagnéticos (LALL, 1992).
As propriedades de componentes magnéticos são facilmente afetadas por características microestruturais como tamanho, forma e orientação dos grãos, concentração e distribuição de defeitos cristalinos, estado de tensões residuais e arranjo atômico das ligas. Embora grande parte das propriedades magnéticas sejam dependentes da composição da liga e temperatura, nem todas são sensíveis às condições metalúrgicas do material (CHEN, 1986).
Pode-se dividir as propriedades magnéticas em dois grupos, as propriedades intrínsecas, ou pouco sensíveis a defeitos de estrutura, como a magnetização de saturação (µmax) e temperatura de Curie (Tc). Existem as propriedades extrínsicas, sensíveis à alteração de estrutura da liga como coercividade (Hc), ou perdas por correntes parasitas. (CHEN, 1986).
2.1.1 Propriedades magnéticas
2.1.1.1 Magnetização de saturação (Ms(T))
Jiles (1991) descreve a magnetização de saturação como o estado em que todos os dipolos magnéticos estão alinhados com a direção de
aplicação de um campo magnético. A máxima intensidade de magnetização por unidade de volume é denominada magnetização de saturação de um material ferromagnético em uma dada temperatura.
A Equação 1 descreve a magnetização de saturação, onde N é o número de átomos por quantidade de volume, e J é a polarização e representa a permeabilidade do sistema. Na equação eviencia-se que nenhuma variável apresentada é dependente da estrutura do material, ou seja, se for alcançado o campo de saturação do material, a magnetização deste será a mesma não interessando se este é um material mono ou policristalino, ou de seus defeitos (JILES, 1991).
(Equação 1)
2.1.1.2 Temperatura de Curie (tc)
A magnetização espontânea que ocorre devido ao alinhamento de momentos magnéticos é dependente da temperatura de trabalho, onde a temperatura limite em que a magnetização total do componente é igual a zero é a temperatura de Curie. As temperaturas de Curie para os metais ferromagnéticos ferro, cobalto e níquel são respectivamente 1044 K, 1388 K e 628 K (COEY, 2009).
2.1.1.3 Indução magnética (B)
A resposta de um componente magnético a um material e a magnetização do material é a definição de indução, representada na Equação 2, onde H é o campo magnético aplicado, M é a magnetização do material e representa a permeabilidade no vácuo.
(Equação 2)
Na Figura 1 é possível observar duas regiões na curva de indução de um material ferromagnético genérico. A primeira região (I) representa a resposta do material até a magnetização total, que é dependente da geometria e condições metalurgicas do material. A segunda parte (II) é representada pela magnetização de saturação do material (CHEN, 1986).
Figura 1 – Curva de indução magnética genérica apresentando duas regiões de magnetização de um material genérico.
Fonte: adaptado de CHEN, 1986.
2.1.1.4 Permeabilidade (µ)
De acordo com Jiles (1991) a permeabilidade magnética (µ) é a resposta da indução magnética em função do campo magnético aplicado no componente. Os materiais ferromagnéticos normalmente apresentam valores na faixa de 10 a 105, sendo normalmente indicados nas bibliografias como valores de permeabilidade máxima (µmax).
2.1.1.5 Coercividade (Hc)
A coercividade representa o valor de campo magnético reverso necessário para que a magnetização líquida do componente magnético seja zero, sendo essa propriedade dependente do tratamento térmico ou estado de tensões dos componentes (JILES, 1991).
Os materiais ferromagnéticos podem ser classificados seguindo duas categorias: os materiais magnéticos moles, ou macios e os materiais magnéticos duros. A diferença de coercividades é o critério padrão para distinguir entre essas duas classificações, a norma IEC 60404-1 define como 1000 A/m como valor limiar entre as classificações. Cada grupo de materiais magnéticos têm fundamentalmente diferenças de aplicação e de propriedades desejáveis para seus produtos.
Atingir a coercividade para um valor mínimo é desejável quando está sendo desendolvido um material magnético mole devido à diminuição da área da curva de histerese e consequentemente suas perdas por ciclo. O contrário é observado para materiais magnéticos duros, onde se busca a fabricação de peças resistentes à alteração de campo magnético.
Segundo Chen (1986) o movimento irreversível das paredes dos domínios magnéticos é responsável pela força coerciva do componente, ou seja, é uma propriedade muito dependente das características metalúrgicas do material.
Coey (2009) destaca que a propriedade mais importante para a disseminação de materiais para aplicações magnéticas foi o controle da coercividade. A Figura 2 mostra a evolução das coercividades para aplicações em materiais magnéticos moles e duros para em até oito ordens de magnitude.
Figura 2 – Progresso do desenvolvimento de coercividades dos materiais magnéticos.
Fonte: Adaptado de Coey, 2009.
2.1.1.6 Remanência (Br)
Quando o campo magnético aplicado após a magnetização do componente é removido, a indução magnética remanente no
componente é classificada como remanência (Br), e a magnetização como magnetização remanente (Mr) (JILES, 1991).
2.1.2 Processo de magnetização
O comportamento de um material ferromagnético sob a presença de um campo magnético é considerado um fator excencial para a avaliação das características magnéticas do componente em análise.
A Figura 3 mostra um exemplo de curva de magnetização para uma liga Fe-Si (97-3%) em estado desmagnetizado, onde uma amostra com dimensões normatizadas é submetida a um campo magnético e têm seus valores de indução magnética medidas através de um fluxímetro (CHEN, 1986).
Figura 3 – Curva de magnetização genérica para um material ferromagnético.
Fonte: Adaptado de CHEN, 1986.
No primeiro momento, entre (0) e (A) um aumento do fluxo magnético induzido leva à orientação dos domínios magnéticos adjascentes formando um padrão com forma linear. Seu coeficiente angular é conhecido como permeabilidade inicial do material (µi). Até µi os domínios magnéticos apresentam uma transição reversível, ou seja, caso o campo cessar, o material volta ao estado desmagnetizado seguindo a Lei de Rayleigh apresentada na Equação 3 (CHEN, 1986).
(Equação 3)
A A
A segunda parte da curva mostra o segmento de reta entre (A) e (B), caracterizada por um brusco aumento da medida do fluxo magnético ao campo gerado até que se atinja o ponto de permeabilidade máxima (µmax) e cair gradualmente na forma de um joelho. Na terceira parte da curva, entre (B) e (m), é a região em que a indução atinge seu valor de saturação, ou seja, os domínios magnéticos do material atingem seu estado máximo de alinhamento com a direção do campo magnético aplicado (CHEN, 1986).
Tanto a segunda quanto a terceira parte da curva de magnetização apresentada são irreversíveis, ou seja, se o campo magnético for removido do sistema o material se encontrará magnetizado com uma magnetização remanente (Mr), em fenômeno similar à deformação a frio de um material submetido à um ensaio de tração (CHEN, 1986).
Ao inverter o sentido de aplicação do campo magnético e depois retorná-lá para o estado inicial surge o laço de histerese, representado na Figura 4, é possível observar diferentes características a respeito do componente avaliado como sua indução máxima (Bm), indução de remanência (Br), coercividade, (Hc), além da representação de permeabilidade (µ) (CHEN, 1986).
Figura 4 – Loop de histerese genérico.
Fonte: Adaptado de CHEN, 1986.
H (A/m)
B (
T
As formas e tamanhos da curva de histerese dependem da composição e condições metalúrgicas do componente a ser avaliado. Cada curva de magnetização pode ter diferentes formas dependendo se é um material mono ou policristalino. Para os policristalinos a orientação dos cristais é afetada pelo estado de tensões residuais, temperatura etc.. (CHEN, 1986).
2.1.3 Metalurgia dos materiais magnéticos moles
Possivelmente o material mais conhecido do grupo dos materiais magnéticos moles é o ferro. Suas excelentes propriedades magnéticas intrínsecas devido à sua configuração eletrônica trazem alta polarização de saturação (Js), baixa coercividade (Hc) e alta permeabilidade magnética (μmax). Entretando a suscetibilidade para a deterioração de
propriedades de acordo com frações de impurezas trouxeram a necessidade de adições de elementos de liga para a produção de componentes elétricos e magnéticos. (WOHLFARTH, 1982).
Chaman Lall (1992) relaciona na Tabela 1 as principais propriedades magnéticas do ferro puro produzido por diferentes métodos e composições.
Tabela 1 – Principais propriedades magnéticas de ligas a base de ferro.
Material Densidade (kg/m³) Bm (T) Br (T) µmax Hc (A/m) Fe conformado 7860 1,70 1,28 50000 80 Fe metalurgia do pó 6600 0,90 0,76 18000 175 Fe – P 0,45% 6840 1,11 0,97 28310 139 Fe – Si 3% 6800 1,17 0,94 29000 104 Fe – Ni 50% 7300 1,12 0,70 160000 14 Fonte: Adaptado de Chaman Lall, 1992.
As propriedades magnéticas dos materiais magnéticos moles apresentam relação às microestruturas das ligas metálicas tema que seráserá abordado em 2.1.6. A caracterizaçao desse tipo de material exige um estudo mais aprofundado a respeito dos defeitos cristalinos, estrutura granular, estado de tensões residuais (CHEN, 1986).
2.1.4 Tratamento térmico
O principal tratamento térmico para controle das propriedades magnéticas é o recozimento. Phan et al. (2006) descreve o tratamento de recozimento como aquecimento do material até uma temperatura próxima à recristalização, objetivando a migração de defeitos pontuais, redução de tensões residuais oriundos de tensões térmicas ou mecânicas que essas ligas foram submetidas.
Chaman Lall (1992) mostra que é muito comum no processamento de materiais magnéticos via metalurgia do pó utilizar do tratamento de sinterização com três finalidades, eliminar o lubrificante do componente, fazer a ligação entre as partículas e realizar o tratamento térmico de recozimento das ligas.
Atmosferas como hidrogenio, nitrogenio, argônio ou vácuo devem ser utilizadas no tratamento térmico para que não ocorram reações químicas que possam degradar as propriedades magnéticas do componente (LALL, C, 1992).
Jidong et al. 2014 pesquisou efeitos da realização de tratamentos térmicos para a produção de um componente magnético de ferro puro. A Figura 5 mostra que quanto maior é a temperature de sinterização, maior tende a ser permeabilidade magnética e menor a coercividade do material. O autor mostra que a temperatura de sinterização tem mais influência do que o tempo de sinterização para a otimização das propriedades magnéticas.
Figura 5 – Efeito da temperatura de sinterização nas propriedades magnéticas.
Fonte: Adaptado de JINDONG et al. 2014. Temperatura de sinterização (°C) Temperatura de sinterização (°C) Perm eabi li dade m áxi m a ( m H /m ) Perm eabi li dade m áxi m a ( m H /m )
Co
er
ci
Co
er
ci
Permeabilidade máxima Permeabilidade máxima Coercividade Coercividade C o er ci v id a d e (A /m ) C o er ci v id a d e (A /m )Quando altas densidades são necessárias para que os componentes magnéticos atinjam as propriedades da aplicação, normalmente altas pressões de compactação são empregadas. Leopold e Nelson (1968) destaca que quatro tipos de fricção agem no componente. Fricção entre a matriz e o punção, entre partículas, entre partículas e a matriz e entre o produto compactado e a matriz na ejeção do componente.
Para homogeneizar a ação das diversas fontes de atrito lubrificantes são corriqueiramente adicionados à mistura para reduzir distorções, formações de trincas, ou quebra de ferramental. Se faz necessário então a realização de um tratamento térmico para remover o lubrificante da mistura, em função do tipo e quantidade de lubrificante empregado (LEOPOLD e NELSON, 1968).
Análises metalográficas e difratometria de raios x são utilizadas para observar a estrutura metalúrgica e como foi afetado o material pelo tratamento térmico aplicado (CHEN, 1986).
2.1.5 Técnicas de caracterização de materiais magnéticos
Devido à dependência das propriedades magnéticas com a forma do material (desuniformidade do campo desmagnetizante), não existem propriedades absolutas de um material magnético. Na prática as propriedades magnéticas são medidas em peças produzidas com uma geometria padrão de análise e utilizada extrapolação dos resultados desses testes para o componente produzido (TUMANSKI, 2011).
Grande parte das respostas magnéticas do material está relacionada com o campo magnético induzido (H) tendo como variável de saída o fluxo magnético do material (B). Tumanski, 2011 sumariza duas maneiras de categorizar métodos de medição de propriedades magnéticas:
Medição indireta – A medição do campo magnético mostrada na Equação 4, é determinada utilizando o princípio da lei de Ampere, que relaciona o campo magnético (H) sob a aplicação de uma corrente elétrica (i1) em um enrolamento primário (n1), sobre um caminho magnético (l). A vantagem desse tipo de medição é que a medida do sinal gerado é relativamente grande, não tem interferências e é diretamente proporcional à força do campo magnético. A desvantagem é que nunca se sabe ao certo qual o valor do caminho magnético e que essa diferença de enrolamento da amostra pode causar diferentes valores
de densidade de fluxo magnético no diâmetro da amostra (TUMANSKI, 2011).
(Equação 4)
Medição direta – Na medição direta, mostrada na Figura 6, o campo magnético é medido de maneira tangencial ao campo, usando a premissa de que se o sensor está próximo o suficiente da superfície magnetizada. De acordo com a lei de Maxwell pode-se assumir que o campo magnético medido é o mesmo da amostra a ser avaliada. Vários métodos utilizam esse princípio, como a H-coil (Rogowski-Chattock potenciometer) ou o sensor magnetoresistivo (TUMANSKI, 2011).
Figura 6 – Medição direta do campo magnético.
Fonte: Adaptado de TUMANSKI, 2011.
De uma maneira geral os métodos indiretos fornecem uma visão macro das propriedades magnéticas da amostra. Os métodos diretos são recomendados para medidas localizadas.
Para um bom sistema de medição de propriedades magnéticas algumas condições devem ser levantadas:
Características geométricas – Devido à dependência das propriedades magnéticas com a geometria das amostras deve-se utilizar de padrões pré-estabelecidos e normatizados pelo método a ser utilizado;
Ponto de operação – Os parâmetros de ensaio devem ser registrados e utilizados em uma forma o mais próxima possível à realidade daquele componente;
Direção de magnetização – Entender qual/quais as geometrias de interesse para o componente para a medição das propriedades;
Tipo de onda magnética – Usualmente uma forma pura sinu-soidal de onda é assumida (TUMANSKI, 2011). A utilização de amostras com a forma de toroides é muito comum para a medição de propriedades magnéticas. As vantagens de se utilizar esse tipo de geometria estão na facilitação da magnetização dos componentes, sendo a geometria mais confiável para determinar o tamanho do caminho magnético, onde não é necessária a utilização de grandes quantidades de energia para magnetizar a amostra. Sua principal desvantagem é a dificuldade de preparação de corpos de prova (TUMANSKI, 2011).
A produção e preparação dos corpos de prova devem seguir algumas premissas. Segundo a ASTM A34, a razão dos diâmetros externo e interno não deve ser menor que 0,82 devido à uniformidade de distribuição do fluxo magnético.
Na Figura 7 está representado o método de medição de um histeresígrafo. São constituídos na amostra toroidal dois enrolamentos, o primário (n1), onde será induzido um campo magnético, e o secundário (n2) ocorre a medição da resposta do material. É importante que os dois enrolamentos sejam constituídos o mais uniforme possível, utilizando o número mais próximo possível de espiras em cada camada (TUMANSKI, 2011).
Figura 7 – Esquema de medição de toróides.
Fonte: Adaptado de TUMANSKI, 2011.
Algumas boas práticas para realizar o registro e avaliação das propriedades magnéticas são: identificar o tipo e geometrias da amostra, qual o tratamento térmico empregado, o número de enrolamentos no primário e secundário, a velocidade de magnetização empregada, a temperatura da amostra, o valor máximo de magnetização ou densidade
de fluxo magnético, indução residual e área do loop de histerese (TUMANSKI, 2011).
A norma ASTM A34 define que os componentes avaliados devem ter raio com largura e seção transversal uniforme sendo contínuos, ou seja, sem rebites ou soldas a não ser que essa seja a condição que se pretende avaliar. As temperaturas de ensaio devem ser feitas a 25±5 ºC. 2.1.6 Efeito da microestrutura nas propriedades magnéticas
Embora todas as propriedades magnéticas sejam dependentes da composição e temperatura, não todas são sensíveis às condições microestururais do componente conforme apresentado na Seção 2.1. Degauque (1993) destaca três características microestruturais que têm forte influência à propriedades extrínsicas:
Tamanho, forma e orientação de grãos;
Concentração e distribuição de defeitos cristalinos;
Estado de tensões residuais e maneira como átomos estão arranjados nas ligas.
Degauque (1993) estudou a influencia das discordâncias nas propriedades magnéticas de um material policristalino a base de Fe com alta pureza, mostrando que a mobilidade das paredes de domínio não são dependentes apenas à densidade de discordâncias, a distribuição e maneira como elas formam emaranhados nas diferentes regiões microestruturais explicam a importância de defeitos como os contornos de grão para a consolidação das propriedades magnéticas extrínsecas.
A existência de uma fronteira microestrutural significa que existe uma mudança no vetor de magnetização às regiões adjacentes, a Figura 8 mostra uma análise em um componente de Fe com alta pureza (190 ppm de C) sob diferentes tempos de recozimento. Em (a) mostra a fração de carbono instersticial em (b) a coercividade do componente. O autor mostra que a presença de compostos, no caso precipitados de cementita (Fe3C), que exercem efeito de ancoramento nas paredes de domínio (DW’s) (Degauque, 1993).
Além da formação de compostos a otimização do tamanho de grão exerce forte influência na coercividade do componente, mostrando um valor de máximo em tempos de recozimento próximos a 10³onde o tamanho de grão está próximo ao tamanho das paredes de domínio do material (Degauque, 1993).
Figura 8 – Microestrutura de componente fabricado a partir de Fe com 190 ppm de C. (a) fração intersticial de carbono em função do tempo de recozimento a 200ºC. (b) evolução do campo coercivo. (c) formação do domínio magnético em
volta dos precipicados de Fe3C. (d) esboço da sequência de interações de um
domínio magnético 180º com uma inclusão, a seta representa a direção de magnetização.
2.2 Manufatura aditiva 2.2.1 Considerações gerais
Segundo Dilberoglu et al. (2017) a quarta revolução industrial, denominada indústria 4.0, é marcada pela utilização de modernas técnicas de fabricação de um modo que haja integração entre o mundo físico e cibernético. O autor chama os ambientes fabris de fábricas inteligentes onde o papel dos humanos no contexto da indústria é redefinido.
Dentre os conceitos fundamentais da indústria 4.0 se destacam a internet das coisas, big data, computação em nuvem, robôs autônomos e manufatura aditiva (DILBEROGLU et al, 2017).
Volpato et al. (2017) destaca que o sucesso de uma empresa está na habilidade de adaptar seus produtos no mercado, onde a utilização do desenvolvimento de um protótipo físico é essencial para antecipar falhas e entender sobre a qualidade do desenvolvimento. A manufatura aditiva surge para integrar processos tradicionais de manufatura como metalurgia do pó, extrusão, soldagem a tecnologias de controle de movimento e precisão na deposição de materiais para a fabricação de componentes funcionais.
As terminologias prototipagem rápida, fabricação rápida e impressão 3D ainda são muito utilizadas para se referir à manufatura aditiva, porém, esses conceitos distorcem a capacidade de produção de peças funcionais com qualidade e rapidez que as técnicas de manufatura aditiva vêm buscando para se consolidar como um processo de fabricação (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2010).
Apesar de ser um processo de fabricação conhecido há mais de 20 anos, através do desenvolvimento da estereolitografia, esse nicho de mercado antes limitado à fabricação de protótipos e estruturas porosas está ganhando atenção para se consolidar como um importante processo de criação de peças (HERZOG, et al. 2016).
A capacidade de produção de peças funcionais faz com que as aplicações estejam dispostas nos mais diferentes mercados como a fabricação de brinquedos, componentes automobilísticos, indústria médica, obras de arte, componentes aeronáuticos (SINGH et al. 2016).
Volpato et al. (2017) mostra na Figura 9 que as principais atribuições da manufatura aditiva se concentram prioritariamente na modelagem e prototipagem dos componentes. Aplicações para a fabricação de ferramentais chegam a 23% e as aplicações para peças funcionais à 29%.
Figura 9 – Distribuição nas aplicações dos componentes produzidos através da manufatura aditiva.
Fonte: Volpato et al 2017.
As maiores limitações do processo de manufatura aditiva estão ligados às diferenças nas propriedades finais com relação a materiais processados por métodos tradicionais, velocidade de fabricação, precisão dimensional, repetibilidade de construção, assim como custos e possibilidades de diversificar fornecedores de matéria prima (VOLPATO et al, 2017).
A capacidade de produção de peças com geometrias especiais, customização de produção e capacidade de se trabalhar com os mais diferentes tipos de materiais, fazem com que haja um esforço da comunidade cientifica mundial para que essas barreiras sejam quebradas e que cada vez mais, a manufatura aditiva se destaque como um processo de fabricação (DILBERROGLU et al. 2017).
2.2.2 Etapas e classificações da manufatura aditiva
Gibson, Rosen, Stucker (2010) descrevem na Figura 10 o processo de criação de um componente através da manufatura aditiva em 8 etapas. A primeira etapa é gerar um desenho tridimensional do componente a ser fabricado através de um modelo de desenho assistido por computador (CAD). Em seguida o desenho é fatiado com a conversão para o arquivo no formato “standard tesselation leanguage” (STL).
Figura 10 - Sistema genérico de fabricação de um componente via manufatura aditiva.
Fonte: Adaptado de GIBSON, ROSEN & STUCKER, 2010.
O arquivo é transferido para a máquina que fará a conversão deste componente, onde deverá ser verificada a região e orientação de construção. Os parâmetros de construção são programados à máq DILBERGOGLU, 2017). uina que começa a construção do componente fazendo a deposição da matéria prima por sobreposição de camadas. Posteriormente a peça é removida da máquina, se necessário são utilizadas operações de pós-processamento, tais como limpeza, usinagem, tratamentos térmicos (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2010).
De acordo com a aplicação, material, acabamento e recursos disponíveis existem diferentes maneiras de construir produtos via manufatura aditiva. Com base na norma ASTM 52900, Gao et al. (2015) sumarizaram na Tabela 2 as mais recentes tecnologias de produção via manufatura aditiva em sete categorias, relacionando as diferentes tecnologias com os materiais que se podem produzir e características do processo.
Tabela 2 – Tecnologias de fabricação via manufatura aditiva.
Categorias Tecnologias Materiais energétiFonte
ca Características do processo
Extrusão de materiais
Deposição de filamentos Criação por contornos
Termoplásticos Pastas cerâmicas Pastas metálicas
Energia térmica
Máquina extrusora de baixo custo Possibilidade de produção de mais de um tipo
de material Resolução limitada da peça Baixa qualidade de superfície
Fusão em leito de pó
Sinterização seletiva a laser (SLS) Sinterização direta de metal via laser (DMLS) Fusão seletiva a laser
(SLM) Fusão por emissão de
elétrons (EBM) Polímeros na forma de particulado Pós metálicos atomizados Feixe de laser a alta potência Feixe de elétrons de alta potência
Alta precisão dimensional Alta densidade Elevadas propriedades mecânicas Possibilidade de reciclagem de pós metálicos
Fotopolimerização
em cuba Estereolitografia (SLA)
Polímeros sensíveis a luz ultra violeta Cerâmicas (alumina, zircônia, PZT) Luz ultra violeta
Alta velocidade de construção Alta resolução
Alto custo de materiais e consumíveis
Jateamento de materiais
Impressão via Polyjet /
inkjet Fotopolímeros Cera Energia térmica / cura a luz
Diversos tipos de matéria prima Alta qualidade de superfície Baixas propriedades mecânicas
Jateamento de aglutinantes
Impressão indireta Inkjet (binder 3DP) Pós poliméricos Pós cerâmicos Pós metálicos Energia térmica
Impressão de objetos coloridos Requerem pós processamento Altas possibilidades de variação de material
Altas grau de porosidade nas peças Laminação de chapas Fabricação de objetos laminados (LOM) Filmes plásticos Chapas metálicas Fitas cerâmicas Laser
Alta qualidade de superfície Baixo custo de maquinário Dificuldade para remoção da peça do
equipamento Deposição direta de
energia
Laser engineered net shaping (LENS)
Solda eletrônica (EBW)
Pó de metal
fundido Laser
Reparo de peças
Possibilidade de fabricação de materiais com gradiente funcional
Requerem pós tratamentos Fonte: Adaptado de GAO et al, 2015 e ASTM 52900.
2.2.3 Manufatura aditiva por fusão em leito de pó
Segundo Gibson, Rosen & Stucker, 2010, a manufatura por fusão em leito de pó foi uma das primeiras técnicas a ser comercializada. A primeira variação deste processo, a fusão por sinterização seletiva a laser (SLS) desenvolvida pela Universidade do Texas, em Austin consiste em um método de produção amplamente aplicado nas indústrias médica e aeronáutica.
Sinterização seletiva a laser (SLS), fusão seletiva a laser (SLM) e sinterização metálica direta a laser (DMLS) são todas técnicas similares de manufatura aditiva por fusão em leito de pó (ASTM, 2015).
Neste processo, mostrado genericamente na Figura 11, o material na forma de um particulado é depositado através de um sistema de espalhamento em uma plataforma de construção, com movimento controlado na direção do eixo Z. Um Laser de alta potência é utilizado para fornecer calor para uma região onde irá ser construída a peça, sendo o laser direcionado através de um sistema de espelhos para a produção de uma camada com a geometria desejada (ROMBOUTS, 2006).
Figura 11 – Esquematização do processo de manufatura por fusão em leito de pó.
Após o escaneamento a plataforma de construção desce uma altura programada, chamada de espessura de camada, onde o processo de espalhamento do pó e aquecimento é repetido até que se atinja a geometria desejada na peça (GAN, 2016).
A produção das peças é realizada sob uma atmosfera inerte de modo que se reduzam a formação de reações indesejadas, como combustão, ou oxidação (GAN, 2016).
Pelas possibilidades de utilização de diferentes matérias primas e de complexidade geométrica que esse processo permite, este é considerado um processo produtivo muito versátil (ROMBOUTS, 2006).
Gibson, Rosen e Stucker (2010) categorizam os principais parâmetros de processo de fabricação de componentes via fusão em leito de pó:
Laser: potência (s), spot size (mm²), duração do pulso (ms), frequência do pulso (Hz);
Escaneamento: velocidade de escaneamento (mm/s), espaçamento de escaneamento (mm), estratégia de escaneamento;
Matéria prima: forma, tamanho e distribuição do pó, espessura de camada (mm), propriedades do material.
Temperatura: Temperatura da plataforma de construção, uniformidade térmica.
Devido à importância de se desenvolver características adequadas da poça de fusão para a manufatura aditiva via fusão em leito de pó, estabeleceu-se a relação entre a potência do laser (P) com a velocidade de escaneamento (vs) e espaçamento de escaneamento (s) como o parâmetro de densidade energética (Ea) mostrada na Equação 5 (ROMBOUTS, 2006).
(Equação 5)
Embora a Equação 5 não leve em conta o potencial de absorção da matéria prima, o calor necessário para fusão, o tamanho do spot size (área de contato do laser com componente), ela fornece informações importantes para a otimização do processo produtivo, informando a quantidade energética mínima exigida pelo processo para que se tenha uma fusão adequada do material (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2010).
Defeitos como balling1, distorções, empenamentos, tensões residuais excessivas, falhas de preenchimento, porosidade inadequada são corriqueiramente evidenciados no desenvolvimento de componentes produzidos via manufatura aditiva por fusão em leito de pó. A maneira de realizar o controle dos parâmetros apresentados permite a adequação da manufatura aditiva para a produção de componentes funcionais (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2010).
2.2.3.1 Mecanismos de união
Da introdução dos processos de manufatura aditiva por fusão em leito de pó surgiram processos que utilizam os nomes fusão, ou sinterização das partículas para a formação do componente. É complexo atribuir esse desenvolvimento à um fenômeno apenas. De acordo com Gibson, Rosen e Stucker (2010) existem quatro diferentes mecanismos de união que ocorrem durante o processo de fabricação.
Gibson, Rosen e Stucker (2010) destacam os principais mecanismos de união que esse processo promove na Figura 12, indicando os mecanismos de sinterização no estado sólido, ligação química entre os componentes, sinterização com fase líquida e fusão total do material. O caminho pelo qual o processo de construção irá ocorrer dependerá das características do pó a ser utilizado e da entrada de energias do sistema.
Figura 12 - Mecanismos de união em processos de manufatura por leito de pó.
Fonte: GIBSON, ROSEN E STUCKER, 2010. Sinterização em estado sólido Ligação química induzida Fusão Sinterização por fase líquida Mesmo ligante e material estrutural Diferentes ligantes e materiais estruturais Partículas separadas Partículas compósitas Revestimentos
1 – Balling – Defeito superficial de aumento de rugosidade superficial devido à ações térmicas de fusão e solidificação da poça fundida (Shen, Y, 2016).
1 – Balling – Defeito superficial de aumento de rugosidade superficial devido à ações térmicas de fusão e solidificação da poça fundida (Shen, Y, 2016).
German (1996) classifica a sinterização como uma operação metalúrgica que visa a produção de componentes através de pós previamente compactados, o processo é ativado termicamente e ocorre devido à diminuição da energia livre de superfície do componente.
Para a manufatura aditiva, quanto menos tempo se leva para fabricar cada camada, mais competitivo se torna o processo. Devido ao tempo e quantidade de energia necessária para consolidar as partículas por sinterização ser menor do que pela fusão, o processo de sinterização por estado sólido é muito destacado para as máquinas comerciais (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2010).
A sinterização no estado sólido, esquematizado na Figura 13, consiste em induzir a formação de pescoços entre as partículas com o aumento da temperatura para favorecer, através da difusão, o fenômeno de crescimento das partículas, promovendo a densificação do componente (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2010).
Figura 13 – Estágios da sinterização no estado sólido.
Fonte: Gibson, Rosen & Stucker, 2010.
O fenômeno de ligação por indução química é muito presente no processamento de materiais cerâmicos. Consiste em promover a ligação entre partículas a partir de uma reação química entre dois ou mais componentes da mistura, sejam pós ou gases do sistema. (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2010).
A sinterização por fase líquida ocorre quando uma fração da mistura de componentes possui temperatura de fusão significativamente diferente da outra fase, onde a parte líquida do sistema atua como um ligante para as partículas com maior ponto de fusão, permitindo que ocorra uma alta densificação do componente em temperaturas não tão elevadas (GIBSON ROSEN STUCKER, 2010).
A fusão total é o mecanismo mais facilmente associado popularmente para processos em fusão em leito de pó. Para esse mecanismo toda a região do material sujeita à ação térmica é fundida em uma profundidade superior à espessura de camada. A energia térmica de alta intensidade, ou a utilização de dois ou mais ciclos de escaneamento é uma prática aceitável para a fabricação de componentes de engenharia que requerem elevados requisitos de densidade e propriedades mecânicas (GIBSON, ROSEN, STUCKER, 2010).
2.2.3.2 Transferência de calor
A interação entre a energia transferida para o sistema e a matéria prima é esquematizada na Figura 14. Durante a ação dos ciclos térmicos ocorrem mudanças de fase, transições metalúrgicas, formação de estresses térmicos e movimentação da poça de fusão, fenômenos de evaporação ou oxidação, essa série de fenômenos físicos pode afetar na qualidade final do componente produzido (ROMBOUTS, 2006).
Figura 14 – Interação laser x matéria prima em um processamento via fusão em leito de pó.
Adaptado de: ROMBOUTS, M, 2006.
Rombouts (2006) destaca que para um projeto que utilize a manufatura aditiva, o primeiro aspecto a ser estudado é a capacidade da matéria prima de absorção de energia fornecida pela fonte emissora. A quantidade de calor que é conduzida nos arredores da região onde é aplicada a energia térmica depende da condutividade térmica do material particulado. Material consolidado Material consolidado Laser Laser Material particulado Material particulado Substrato Substrato
Camadas previamente fabricadas Camadas previamente fabricadas
Material evaporado Material evaporado Poça de fusão Poça de fusão Movimentação Movimentação
A absorbância de um material é definida como a fração de intensidade que o material absorve de uma fonte emissora relacionada à taxa de aquecimento do sistema. Cada matéria prima absorve uma faixa diferente de comprimentos de onda a diferentes faixas de temperatura.
Rombouts (2006) destaca que a condutividade térmica é a segunda propriedade térmica com maior influência no processo de manufatura aditiva por fusão em leito de pó. É uma propriedade de difícil controle, visto que existe relação da condutividade térmica com a temperatura da substância, assim como é relacionada à fração de defeitos do material.
2.2.3.3 Comportamento do fluido
O entendimento do comportamento do fluido frente à poça fundida durante o processo está relacionado à morfologia da superfície e densidade final do componente. Idealmente a poça fundida formada se espalha continuamente na direção de passagem do Laser. Na prática diferenças de tensão superficial, molhabilidade, capilaridade e viscosidade fazem com que a solidificação ocorra de maneira mais instável (ROMBOUTS, 2006).
As tensões superficiais de uma substância são dependentes da temperatura e do estado físico que essas se encontram. Devido à fusão em leito de pó ser um processo em que altas densidades energéticas são empregadas, se forma um gradiente de tensões superficiais sendo criada uma zona turbulenta de mistura dos componentes (DIGILOV, 2002).
A viscosidade (ῃ) de metais é altamente influenciada pela composição da matéria prima. Diferenças na mistura dos pós fazem com que se tenham diferentes zonas pastosas (mushy zones) na solidificação (ROMBOUTS, 2006).
Eustathopoulos et al. (1999) destaca que o comportamento de molhabilidade de um líquido em um substrato sólido, determinado pela molhabilidade do sistema afeta as características de infiltração da ligação entre camadas.
A Figura 15 esquematiza a molhabilidade para uma interação sólido (S) líquido (L) de uma substância hipotética, homogênea, perfeitamente lisa, com reatividade nula. Representada como ângulo de contato na interface (θ) é uma característica importante para definir a adesão entre as camadas fabricadas via fusão em leito de pó (EUSTATHOPOULOS et al. 1999).
Figura 15 – Esquematização do ângulo de molhabilidade.
Fonte: EUSTATHOPOULOS et al. 1999.
2.2.4 Propriedades microestruturais características
Técnicas de processamento de materiais que utilizam lasers geralmente estão associados à altas taxas de resfriamento em curtos períodos de tempo e altos gradientes térmicos, fazendo com que apareçam na microestrutura do componente diversas fases metaestáveis (ROMBOUTS, 2006).
A Simchi (2003) evidencia a utilização de diferentes parâmetros de processo para um componente produzido por fusão em leito de pó. No artigo mostra-se que o espaçamento entre linhas do escaneamento do laser influência fortemente a microestrutura. É evidenciada uma transição progressiva de superfície ondulada para suave com a diminuição do espaçamento entre linhas.
Rombouts (2006) mostra que a morfologia de uma interface durante a solidifcação pode ser planar, dendrítica ou celular, dependendo da condição térmica e constitucional do componente. O autor mostra que existe a tendência de uma solidificação planar para metais puros produzidos via fusão em leito de pó.
2.2.5 Manufatura aditiva de materiais magnéticos moles
Garibaldi et al, (2015) denota a inigualável liberdade de forma que a manufatura aditiva permite para a produção de componentes para máquinas elétricas. Atualmente os projetos de máquinas e motores elétricos devem ser desenvolvidos considerando limitações de processos de fabricação como ângulos ou raios de saída de ferramentas. Desta forma a possibilidade oferecida pela manufatura explora novas oportunidades para a fabricação de máquinas elétricas compactas com alto rendimento.
O emprego das técnicas de manufatura aditiva por fusão em leito de pó permite a utilização de diversos materiais metálicos como aços, titânio, cobalto ou alumínio. Atualmente existem poucas referências bibliográficas a respeito da utilização de manufatura aditiva para
materiais magnéticos moles, e existe um gap entre as propriedades magnéticas (magnetização de saturação e coercividade) apresentadas pelos pesquisadores que utilizam essas técnicas para os materiais produzidos por meios convencionais (GARIBALDI et al. 2015).
Garibaldi et al. (2015) destaca que é comum para o desenvolvimento de projetos de máquinas elétricas utilizar de métodos tradicionais de fabricação como laminação, ou metalurgia do pó convencional. Desta forma o design dos componentes deve ser concebido para permitir sua fabricação, desfocando a obtenção de propriedades ótimas do componente.
Para o caso de materiais magnéticos moles o controle do grau de orientação dos grãos e a isotropicidade das propriedades são de interesse para o sistema. A otimização dos parâmetros de processo que a manufatura aditiva permite, faz com que se possa desenvolver componentes com propriedades únicas, mas o autor retrata que uma pesquisa deverá ser desenvolvida para cada método e cada materia prima empregada (GARIBALDI, 2015).
Zhang et al. (2013) foram os precursores a investigar o processo de manufatura aditiva para a fabricação de um componente magnético mole. Em um primeiro trabalho os autores utilizam a fusão em leito de pó para processar uma liga de Fe-Ni (80 – 20%).
Na primeira parte do trabalho os autores realizam uma varredura no processo produtivo para entender as condições de contorno a qual ele poderá utilizar para processar a materia prima destacada, relacionando potência do laser e velocidade de escaneamento. Na Figura 16 (a) é destacado que existem três regiões. A região I onde o produto é um material denso e aplicável para a utilização, a região II onde o produto tem falhas de preenchimento e a região III de não formação, onde o material formado não se consolidava.
A segunda parte do trabalho consistiu em fabricar componentes alterando a velocidade de escaneamento do laser mostrado na Figura 16(b). Foi evidenciada a relação entre velocidade de escaneamento e a propriedade de coercividade pela a formação da fase FeNi3 que se cristaliza com estrutura mais fina à menores velocidades de escaneamento do laser.
Figura 16 – Produção de amostras de manufatura aditiva de Fe-Ni.
(a)
(b)
Fonte: Adaptado de Zhang et al. 2013.
Em um segundo artigo, Zhang et al, (2013) pesquisaram o processamento de uma liga de Fe-Ni (70-30%) através da técnica de fusão em leito de pó. Nesse artigo os autores executam o refinamento do espaço de inferência utilizado no artigo anterior, e novamente relacionam a velocidade de escaneamento do laser com a coercividade e magnetização de saturação, conforme Figura 17.
Observou-se que, para os parâmetros empregados nessa materia prima, maiores velocidades de escaneamento do laser levam à formação de uma fase Fe3Ni2 <111>, que por sua vez possui uma menor constante de anisotropia, levando a menores valores de coercividade.
Figura 17 – Velocidade de escaneamento do laser frente às propriedades magnéticas de uma liga de Fe-Ni (70-30%).
Fonte: Adaptado de Zhang et al, 2013.
O autor apresenta na Figura 18 uma análise de microscopia eletrônica e análise química por espectroscopia de raio-x (EDS) realizada na liga para diferentes tempos de escaneamento. É observado no trabalho que a alteração da velocidade de escaneamento muda a cinética de formação de fases da liga fazendo as propriedades de coercividade alternarem muito de acordo com esse parâmetro de processo.
Embora seja conhecido que a magnetização de saturação, como uma propriedade intrínseca está apenas relacionada com a densidade do material, o autor não faz qualquer menção à densidade dos componentes produzidos, podendo-se explicar a alteração da Ms em razão da velocidade de escanemento.
Figura 18 – Microscopia eletrônica e análise de composições químicas (EDS) de diferentes tempos de escaneamento (a) 0,1 m/s, (b) 0,4 m/s, (c) 1.6 m/s.
Fonte Zhang et al, 2013.
Garibaldi et al. (2017) pesquisou a utilização de um processo de fusão em leito de pó em uma liga Fe-Si (93,1 - 6,9%) e de um tratamento térmico de recozimento para otimizar as propriedades magnéticas da liga. Na Figura 19 é possível observar a micrografia da liga após diferentes condições de tratamento térmico.
No processo sem tratamento térmico e à 973 K, o tamanho de grão não parece ter alterado. À 1173 K é possível observar que ouve uma alteração no tamanho de grão e existe uma dissolução maior do Si no sólido. A não homogeneização de composição de Si no decorrer da liga (segregação) é vista à 1173K pela formação de estruturas ricas em Si, à 1423 K ocorre uma melhor dissolução de Si na microestrutura da liga.
Figura 19 – Microestruturas formadas por um componente produzido via SLS nas condições (a) antes de tratamentos térmicos, (b) 973 K, (c) 1173 K,
(d) 1423K.
Fonte: Garibaldi et al, 2017.
As propriedades magnéticas da liga de Garibaldi et al. (2017) são mostradas na Figura 20. Em (a) O autor denota que a permeabilidade maxima da liga aumenta de acordo com o aumento da temperature de recozimento, primeiramente devido ao alívio de tensões residuais e um grande salto se da devido ao crescimento de grãos.
Na Figura 20 (b) o autor mostra que o aumento na remanência de 0,5 para próximo de 1 T se dá devido ao relaxamento de tensões residuais. No entanto com o aumento da temperatura de recozimendo e consequente aumento do tamanho de grão, há um decaimento da remanência. A diminuição do valor de coercividade se dá pelo mesmo motivo mostrado para a permeabilidade, devido à diminuição de defeitos que dificultam a mobilidade dos domínios magnéticos com o aumento da temperatura.
Figura 20 – Propriedades magnéticas de uma liga de Fe-Si utilizando-se de diferentes tratamentos térmicos. Em tracejado estão mostradas propriedades
típicas de um material produzido via laminação.
(a)
(b)
