Resumo
A Manufatura Aditiva (MA) representa uma rota de fabricação que vem se desenvolvendo rapidamente nos últimos anos, implementando uma nova opção aos “Processos de Fabricação”. Os benefícios da MA se alinham às demandas por melhoria da qualidade buscadas pelas indústrias na obtenção ou reparação de produtos. Especialistas preveem que a MA conduzirá grandes mudanças na indústria e na sociedade. A manufatura aditiva metálica pode ser desenvolvida por diferentes processos com uso de diferentes fontes de energia como LASER e arco elétrico. O presente trabalho faz uma revisão, que envolve os principais processos de manufatura aditiva por arco elétrico, apresenta uma análise comparativa com outros processos, e também destaca a aplicação do processo Gas Metal Arc Welding (GMAW). Apresenta-se as possibilidades e resultados de diferentes modos de transferência do metal baseada em GMAW, como por exemplo o GMAW Pulsado e tecnologias de transferência por curto-circuito controlado, que têm como objetivo, aplicar o menor aporte térmico e proporcionar maior estabilidade ao processo. Além disso, apresenta-se exemplos de tecnologias e processos utilizados para melhorar os resultados da manufatura aditiva por arco elétrico baseada em GMAW, tais como forjamento, laminação e sistemas de controle do aporte térmico. Finalmente, apresenta-se possíveis direções de pesquisas futuras.
Palavras-chave: Manufatura aditiva por arco elétrico; GMAW; Transferência do metal
Abstract
Additive manufacturing (AM) represents a manufacturing route that has been developing rapidly in recent years, implementing a new option for “Manufacturing Processes”. The benefits of AM align with the demands for quality improvement sought by industries when obtaining or repairing their products. Experts predict that AM will lead to major changes in industry and society. Metallic additive manufacturing can be developed by different processes using different energy sources such as LASER and electric arc. The present work provides a review which involves the main processes of wire arc additive manufacturing presents a comparative analysis with other processes, and also highlights the application of the Gas Metal Arc Welding (GMAW). The possibilities and results of different metal transfer modes applied in GMAW-based additive manufacturing are presented, such as Pulsed GMAW and controlled short circuit transfer technologies, which aim to apply the lowest heat input and provide greater stability to the process. In addition, examples of technologies and processes applied to improve the results of GMAW-based wire arc additive manufacturing are presented, such as forging, rolling and heat input control systems. Finally, possible future research directions are presented.
Keywords: Wire arc additive manufacturing; GMAW; Metal transfer
1. Introdução
Qualidade e produtividade nos processos fabris são alguns dos principais objetivos perseguidos pelas indústrias. Nas últimas décadas, as inovações tecnológicas permitiram que pesquisadores desenvolvessem novas alternativas e métodos de fabricação que permitem tornar o processo produtivo mais eficiente e eficaz. A MA é um novo método de fabricação que tem proporcionado interesse de pesquisadores, pelo fato de utilizar a fabricação baseada na deposição sucessiva de camadas a partir de um modelo 3D, que pode apresentar certa complexidade para produção utilizando outro método de fabricação. A ampla aplicação desta tecnologia é exigida por aplicações de engenharia inovadoras, como no setor de saúde, aeroespacial (estruturas de reforço), automotivo, indústria de máquinas, indústria eletrônica e no setor militar, conforme Figura 1 [1-5].
Tornou-se possível produzir peças confiáveis com processos de MA para um grande número de materiais. Langelandsvik et al. [5] mostram uma revisão de ligas de alumínio aplicadas na Manufatura Aditiva por Deposição a Arco (MADA). Neste contexto, Li et al. [6] apresentam uma investigação da MADA em 12 tipos diferentes de novos materiais, como aços, ligas de alumínio e titânio, superligas, compósitos à base de metal e compósitos de matriz cerâmica.
Na indústria aeroespacial, componentes estruturais de aeronaves, usando materiais como Ti-6Al-4V, são usinados a partir de barras superdimensionadas, forjadas ou extrudadas, em que uma grande quantidade de material é consumida. A MADA pode reduzir o material necessário para fazer um componente produzindo peças semiacabadas, que são posteriormente usinadas nas dimensões finais [7,8]. A MA pode reduzir quase 50% dos custos de usinagem de ligas de alta resistência [1,9]. Além disso, produz peças muito próximas da geometria final e, portanto, reduz a taxa de remoção de material e o custo subsequente [10]. Os estudiosos de tecnologia estimam que a MA promoverá um profundo impacto econômico na indústria manufatureira e certamente na sociedade em geral [11].
A produção em massa centralizada está sendo progressivamente substituída pela manufatura descentralizada. A superprodução e o transporte serão reduzidos como consequência da evolução da MA na Manufatura Digital Direta (do inglês: Direct Digital Manufacturing - DDM), que depende da interconexão de rede entre os equipamentos, computadores e softwares [12-15].
A MA pode ser realizada através de diferentes processos de soldagem, como LASER, ultrassom e arco elétrico. A MADA, considerada uma tecnologia de Deposição por Energia Direta (DED), é um método recente para a fabricação de peças e estruturas metálicas complexas por deposição sucessiva de camadas, e já é considerada uma grande promessa para aplicações em diversos setores industriais [16,17].
Na seleção do processo de manufatura por deposição a arco, alguns requisitos são considerados, como as propriedades geométricas, físicas, propriedades mecânicas do material, taxa de deposição e principalmente o custo operacional. Cunningham et al. [18] apresentam na Figura 2 as medidas de desempenho relevantes para a MADA.
A realização dos objetivos e requisitos da deposição na MA depende de variáveis primárias (como tensão, corrente, velocidade de deslocamento) e variáveis secundárias (como taxa de deposição e aporte térmico) que precisam ser controladas no processo. Além disso, devem ser evitados possíveis defeitos e falhas como porosidade, trincas, microfissuras e distorções.
O processo de MADA baseada em Gas Metal Arc Welding (GMAW) apresenta-se como uma boa alternativa com alta taxa de deposição, alta eficiência energética e baixo custo operacional, principalmente para aço e alumínio, em comparação com outros processos [1,19].
Entretanto, ainda existem várias limitações e desafios que precisam ser enfrentados para o desenvolvimento e evolução da tecnologia. Zhou et al. [20] apresentam os desafios da MADA para liga de alumínio 2219 em relação à poça de fusão turbulenta durante a deposição e defeitos de solda. Além disso, destacam-se alguns desafios, como transbordamento da poça de fusão, deformação, porosidade interna, estrutura heterogênea, tensão residual, distorção, rugosidade da superfície e trincas no material, geralmente relacionadas ao processo de deposição e aporte térmico [1,21-25].
No processo de MADA, o aporte térmico e o calor acumulado devido à deposição de camadas sobrepostas provocam um aumento da temperatura média e um longo tempo de solidificação, podendo afetar a microestrutura do material, oxidação, geração de defeitos e, consequentemente, comprometer as propriedades mecânicas e a precisão dimensional [26-29]. Liu et al. [30] mostram a importância de se entender a evolução da microestrutura na MADA e o grande desafio para alcançar um controle microestrutural preciso.
O objetivo é, portanto, estabelecer processos e parâmetros que garantam um baixo aporte térmico equilibrado com uma alta taxa de deposição. Neste contexto, o modo de transferência do metal é uma variável que impacta diretamente o aporte térmico e a taxa de deposição. Segundo Panchenko et al. [31], ajustar a transferência do metal é uma tendência no desenvolvimento da MADA, pois o equipamento utilizado é projetado principalmente para o processo de soldagem e não para a manufatura aditiva.
O metal de adição no processo GMAW pode ser transferido para a poça de fusão por três modos básicos de transferência do metal: globular, curto-circuito e goticular. Além disso, considera-se também as variações de processos como projetado e curto-circuito controlado [32]. Segundo Zhai et al. [33], na transferência do metal por curto-circuito, sob a condição de arco curto e baixa intensidade de corrente, os respingos são inevitavelmente produzidos. A aplicação do processo GMAW Pulsado pode superar essa desvantagem, devido à forma de onda do pulso e ao modo de destacamento de gotas. Além disso, o GMAW Pulsado também oferece vantagens, como controle do aporte térmico e possibilidade de se trabalhar em todas as posições de soldagem.
No processo GMAW Pulsado, existem três modos de destacamento de gotas, “uma gota por múltiplos pulsos” (UGMP), “uma gota por pulso” (UGPP) e “múltiplas gotas por pulso” (MGPP). O modo UGPP tem sido reconhecido por muitas referências, focando principalmente na forma de onda e no estudo da estabilidade da soldagem, como o modo de destacamento ideal. No entanto, os efeitos dos modos de destacamento de gotas no objetivo final da soldagem ainda são pouco pesquisados e não são totalmente claros [33], especialmente para aplicações na MADA.
Assim, esta pesquisa se propõe a apresentar uma revisão que envolve os principais processos de MADA, uma análise comparativa com outros processos aplicados na manufatura aditiva, e aprofundar o conhecimento sobre a MADA baseada em GMAW e tecnologias relacionadas.
A importância deste trabalho é o aprofundamento da pesquisa acadêmica na área de engenharia mecânica com uma abordagem técnico-científica, para o desenvolvimento e evolução tecnológica do processo de MADA. Além disso, apresenta-se comparativos e resultados referentes aos processos de MADA e especialmente da MADA baseada em GMAW como uma alternativa viável de qualidade, produtividade e menor custo, que pode impactar positivamente a aplicação da manufatura aditiva nas indústrias de manufatura metalmecânica.
2. Processos de Manufatura Aditiva
A MA consiste na construção de peças por deposição de camadas sobrepostas de material a partir de um substrato [19]. Os principais parâmetros geométricos para controle são a largura efetiva da pré-forma e a altura da camada, conforme mostrado na Figura 3.
As dimensões das camadas na MADA estão relacionadas à poça de fusão, em um resultado semelhante ao reforço de um cordão de solda. O resultado obtido depende da interação entre energia do arco, velocidade de deslocamento, taxa de deposição, temperatura entre passes e propriedades do material [19].
A manufatura aditiva metálica pode ser realizada por meio de diferentes processos. A Figura 4 mostra a categorização de alguns importantes processos de manufatura aditiva. As subseções a seguir apresentam alguns detalhes desses processos [1].
2.1. Processo de manufatura aditiva baseada em LASER
O processo de manufatura aditiva baseada em LASER produz peças de elevada precisão geométrica, com melhor acabamento superficial. Além disso, o processo gera baixo aporte térmico, com distorções mínimas. As principais limitações deste processo são a baixa deposição de material, restrição de dimensões do produto, tempo de processo mais longo e custo de fabricação mais elevado [1].
O LASER é considerado a principal fonte de energia para a manufatura aditiva devido à sua alta precisão, apesar de sua baixa eficiência energética em comparação ao arco elétrico [34].
2.2. Processo de deposição por pulverização a frio
A manufatura aditiva por pulverização a frio (do inglês: Cold Spray) utiliza um processo no qual uma liga em pó metálico é projetada em alta velocidade e depositada sobre um substrato. O processo não altera as propriedades da matéria-prima (pó metálico) por aquecimento ou fusão durante a fabricação da peça, porque o pó é mantido abaixo de sua temperatura de recristalização durante o tempo de pulverização. Este processo é baseado na deformação plástica crítica de partículas com um tamanho de micrometro (<100 µm), em que as partículas se ligam ao substrato por uma combinação de fusão de metal com metal e intertravamento físico. A energia cinética do material é utilizada, apesar também de considerar a energia térmica para a deposição. Este processo possui algumas limitações, como a baixa precisão geométrica e o tratamento térmico adicional é necessário [1].
2.3. Manufatura de objetos em lâminas
A Manufatura de objetos em lâminas (do inglês: Laminated Object Manufacturing - LOM) requer chapas metálicas como matéria-prima. As técnicas de manufatura aditiva ultrassônica (do inglês: Ultrasonic Additive Manufacturing - UAM) ou consolidação ultrassônica (do inglês: Ultrasonic Consolidation - UC) são comumente usadas para sobrepor camadas de metal cortadas com precisão, para obter peças 3D. Nenhuma fonte de calor é empregada para unir as chapas empilhadas. As ondas ultrassônicas são usadas para pressurizar a pilha de chapas à temperatura ambiente.
As desvantagens associadas a este processo são o desprendimento das chapas, causando consequentemente baixa produtividade. Além disso, peças ocas e em forma de casca não são recomendadas para este processo [1].
2.4. Manufatura Aditiva por Deposição a Arco (MADA)
No processo MADA, a fonte de fornecimento de calor é um arco elétrico gerado através da unidade de potência de soldagem, enquanto a poça de metal líquido é obtida pelo aquecimento e fusão do arame [1]. As tecnologias associadas à MADA encontram-se em desenvolvimento e passam por uma transição do processo de soldagem para a manufatura aditiva. Neste sentido, algumas fontes de soldagem são adaptadas e parametrizadas para que funcionem de forma dedicada à MADA. Em pesquisas recentes, Ding et al. [1] e Nguyen, Buhl e Bambach [2] já substituíram o termo “fonte de soldagem” por “fonte de energia” ou “fonte de arco”.
Langelandsvik et al. [5] defendem que os equipamentos convencionais dos processos de MADA (robô, fonte de energia e arame de alimentação) possuem baixo custo em relação aos sistemas LASER e Feixe de Elétrons. O processo de MADA é largamente aplicado na manufatura aditiva, principalmente devido ao baixo custo de equipamento, maior taxa de produção, menor consumo de material e melhor fusão das camadas depositadas [1,19].
O processo de MADA pode ser aplicado na fabricação de grandes componentes de pré-formas finas, como vasos de pressão. Para peças de formato complexo que são frequentemente utilizadas na indústria aeroespacial, a usinagem é normalmente empregada, no entanto, o processo de MADA pode ser utilizado como uma alternativa para reduzir a relação buy-to-fly (razão entre a massa da matéria prima bruta e a massa do produto final) [3,35].
O processo de MADA pode ser aplicado até mesmo em pequenas oficinas mecânicas para serviços de fabricação e reparo. Além disso, os arames metálicos estão prontamente disponíveis no mercado a um custo menor e são fáceis de manusear em comparação por exemplo com os pós metálicos [36].
Entretanto, existem preocupações importantes, como tensões residuais, impurezas superficiais, deformações por superaquecimento e resultados menos precisos como os degraus formados na superfície da pré-forma depositada, que levam à necessidade de ajustes para estabilizar o processo de MADA [1].
Os principais processos de soldagem aplicados na MADA são o GMAW (Gas Metal Arc Welding), GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) [37] e PAW (Plasma Arc Welding) [38,39], os quais possuem diferentes equipamentos e tecnologias. Os melhores resultados dependem não somente dos equipamentos e tecnologias, mas também de vários parâmetros físicos e operacionais como material, composição do gás de proteção, corrente, tensão, velocidade de alimentação do arame, etc.).
Considerando-se os processos convencionais, o processo de alimentação do arame na MADA baseada em GTAW e PAW pode variar e impactar na qualidade da deposição, tornando o controle do processo mais complexo [2,27]. No entanto, a MADA baseada em GTAW possui maior estabilidade e melhor qualidade superficial em comparação à MADA baseada em GMAW, que apresenta maior quantidade de respingos e fumos metálicos [43,44].
Em contraste, o processo de MADA baseada em GMAW proporciona as maiores taxas de deposição em comparação com outros processos de MADA, como PAW ou GTAW. A taxa de deposição de processos de MADA baseada em GMAW (1-10 kg/h) é 2 a 3 vezes maior do que outros processos de MADA baseada em GTAW e PAW [45,46]. Além disso, o processo de MADA baseada em GMAW, na configuração tandem, que consiste na combinação de duas tochas de GMAW, pode aumentar ainda mais a taxa de deposição [47,48].
No processo de MADA baseada em GMAW, o sistema atinge a máxima eficiência energética devido ao arco elétrico, formado entre o eletrodo consumível e o substrato, que funde o eletrodo de arame e o deposita acima da superfície do substrato, com o movimento relativo entre a mesa de trabalho e a tocha. Assim, o substrato e o arame são fundidos pelo aquecimento desenvolvido no catodo e’ no anodo. Além disso, o processo de MADA baseada em GMAW é amplamente adotado em relação a outros processos de MADA, devido à elevada taxa de deposição, utilização do material, densidade, baixa porosidade, resistência mecânica e tempo de produção relativamente reduzido [32].
A Figura 5 mostra os diversos equipamentos que compõem um sistema de MADA baseada em GMAW.
De acordo com Ding et al. [1], a operação do processo de MADA é realizada principalmente por robôs ou máquinas-ferramenta integrados com software CAD-CAM (do inglês: Computer Aided Design – Computer Aided Manufacturing: Desenho Assistido por Computador – Manufatura Assistida por Computador), daí o avanço da manufatura aditiva levou ao desenvolvimento de sistemas de automação cada vez mais inteligentes. Coelho et al. [41] apresentam um processo de MADA usando GMAW Pulsado com robôs colaborativos que aplicam lógica de feedback de informações durante o processo.
Segundo Ding et al. [1], o processo de MADA compreende três fases básicas que são: planejamento do processo, deposição e pós-processamento. A primeira ação é criar uma representação geométrica 3D (tridimensional) do modelo de deposição de metal (geometria da peça a ser fabricada), usando CAD ou engenharia reversa. A partir daí, o software converte o modelo 3D em um modelo 2D (bidimensional) composto por camadas com espessura que pode ser depositada com precisão.
A trajetória ideal de programação de cada camada é calculada por um software que define os parâmetros ideais para a deposição de material, como taxa de alimentação, velocidade da mesa, corrente do arco, vazão de gás, estratégia de trajetória e aporte térmico. Esta etapa é seguida pela geração do código de Comando Numérico Computadorizado (CNC) [1]. Depois de definir os parâmetros de soldagem, o produto é fabricado pela deposição de camadas sobrepostas, sendo o primeiro depósito feito no substrato, com deposições sucessivas, incrementando a altura da pré-forma, e a trajetória de deposição continua até a obtenção do produto final. O acabamento superficial final é obtido por processo de usinagem, conforme mostrado na Figura 6. Em alguns casos, dependendo do material e das propriedades mecânicas necessárias, um tratamento térmico pode ser aplicado após o término do processo de fabricação.
3. Tipos de Transferência do Metal na MADA Baseada em GMAW
De acordo com Pattanayak e Sahoo [32], a MADA baseada em GMAW aplica comumente polaridade inversa de corrente contínua (CC+), onde o eletrodo é conectado ao terminal positivo e o substrato é conectado ao terminal negativo da fonte de alimentação, conforme mostrado na Figura 7. Nestas condições, segundo Modenesi [49], o processo apresenta um arco mais estável e uma maior penetração. Os elétrons são acelerados do substrato em direção ao eletrodo de arame, e os íons carregados positivamente são movidos da superfície do eletrodo em direção ao substrato [32].
Segundo Souza, Resende e Scotti [50], no processo GMAW em CC+, aproximadamente 30% do calor gerado no arco é transferido ao eletrodo e o restante (aproximadamente 70%) ao substrato, o que resulta em uma menor taxa de deposição, maior aporte térmico no substrato e maior penetração, que de forma controlada, favorece a refusão entre as camadas depositadas. Alguns autores detalham os principais modos de transferência do metal.
3.1. Transferência do metal por curto-circuito
A transferência do metal por curto-circuito ocorre sob baixa intensidade de corrente e baixa tensão (comprimento de arco curto). O metal fundido na extremidade do arame é transferido para a poça de fusão quando o mesmo toca a superfície da poça, gerando um curto-circuito, conforme mostrado na Figura 8(a). A transferência por curto-circuito gera um aporte térmico reduzido, porém, proporciona uma baixa taxa de deposição. Observa-se a ocorrência de respingos em um nível elevado, particularmente ao final de cada curto-circuito [32,33].
Diferentes modos de transferência do metal: a) Curto-circuito; b) Globular. Adaptado de [32].
3.2. Transferência do metal do tipo globular
Esta forma de transferência é caracterizada por baixa intensidade de corrente e elevada tensão (grande comprimento de arco). A transferência do metal do tipo globular ocorre quando a intensidade de corrente não é suficiente para criar uma força eletromagnética capaz de destacar a gota. Assim, a gota continua a aumentar e pode ultrapassar o diâmetro do arame, conforme mostrado na Figura 8(b). O desprendimento das gotas é principalmente induzido pela gravidade. A transferência globular tende a ser muito instável devido às perturbações causadas ao arco pelo destacamento de grandes gotas e a ocorrência de respingos. Além disso, proporciona uma elevada taxa de deposição, porém com um aporte térmico considerável [49].
3.3. Transferência do metal do tipo goticular
A transferência do metal do tipo goticular (do inglês: spray) ocorre quando a corrente é elevada além do nível da corrente de transição (limite entre a transferência globular e a transferência goticular). A transferência goticular é geralmente estável e com poucos respingos, embora o elevado aporte térmico limite o uso deste tipo de transferência do metal, principalmente para materiais sensíveis ao calor. Além disso, a transferência do metal do tipo goticular pode ser classificada como goticular projetada (projected spray), goticular com alongamento (streaming spray) e goticular rotacional (rotational spray), conforme Figura 9 [32,49].
Formas de transferência do metal do tipo goticular: a) projetada, b) com alongamento, c) rotacional. Adaptado de [49].
De acordo com Modenesi [49], a transferência goticular projetada ocorre com correntes pouco superiores à corrente de transição e é caracterizada por um pequeno estrangulamento da seção do eletrodo, com o diâmetro das gotas similar ao diâmetro do arame. Além disso, apresenta uma ótima estabilidade do arco e baixo nível de respingos e fumos. Para correntes superiores à corrente de transição, ocorre a transferência goticular com alongamento que é caracterizada pela formação de um filamento líquido na ponta do arame eletrodo, onde formam-se pequenas gotas que são transferidas axialmente para a peça. Eventualmente, quando o filamento líquido se torna muito longo e toca a poça de fusão, ocorrem curtos-circuitos que tornam o processo instável. A transferência goticular rotacional ocorre com correntes ainda maiores, caracterizada quando a transferência deixa de ser axial e o filamento líquido passa a girar.
Segundo Zhang, Liguo e Kovacevic [51], a transferência goticular com alongamento é considerada um processo estável e é caracterizada pela transferência direcional de gotas e pela frequência de transferência muito alta. Entretanto, devido ao impacto das gotas na poça de fusão, pode produzir penetração em forma de dedo, o que pode afetar as propriedades mecânicas. Portanto, a transferência goticular projetada é frequentemente considerada o processo ideal de transferência do metal devido ao tamanho uniforme das gotas, desprendimento regular, transferência direcional de gotas e poucos respingos.
3.4. Transferência do metal do tipo curto-circuito controlado
Nas últimas décadas, o desenvolvimento tecnológico permitiu a evolução da transferência do metal com o Curto-circuito controlado (do inglês: Controlled Short-Circuiting - CSC), cujas principais vantagens são o baixo aporte térmico, redução significativa de respingos e a alta estabilidade do processo [32].
Segundo Santhakumari et al. [52], demandas do setor industrial relacionadas à produtividade e qualidade, levaram ao desenvolvimento de fontes de energia com controle eletrônico do processo, com transferência controlada de metal. Como exemplos comerciais de diferentes fabricantes, cita-se as tecnologias CMT (Cold Metal Transfer), RMD (Regulated Metal Deposition), STT (Surface Tension Transfer), C.A. (Cold Arc), Steel Root e outras. Essas tecnologias derivativas utilizam sistemas de controle eletrônico para monitorar e controlar a intensidade e a forma de onda da corrente do arco, em resposta às oscilações impostas pelas condições do processo. O sistema eletrônico da fonte controla o aumento da corrente, e assim, a transferência do metal torna-se mais suave, proporcionando a redução de gotas repelidas e respingos.
Além disso, Santhakumari et al. [52] afirmam que na tecnologia CMT, o curto-circuito controlado é obtido não somente por meio do controle eletrônico da forma de onda do arco, mas também por controles mecânicos dinâmicos no sistema de alimentação de arame. No momento do desprendimento das gotas, em outras fontes de energia, a tensão aumenta devido ao aumento do comprimento do arco. Nas fontes com a tecnologia CMT, durante o momento de desprendimento das gotas, a tensão reduz ainda mais para um nível insignificante em comparação com outras fonte de energia. Isto ocorre, pois, no momento do desprendimento da gota metálica, a alimentação do arame é invertida por um motor adicional na tocha de soldagem. Este mecanismo permite que a fonte de energia reduza significativamente o aporte térmico e o nível de respingos.
Neste sentido, em uma pesquisa de MADA baseada em GMAW, com arame de aço carbono AWS A5.18: ER70S-3 de 1,2 mm, Chernovol, Lauwers e Van Rymenant [53] compararam as transferências do metal por curto-circuito e curto-circuito controlado (tecnologia CMT). Assim, concluíram que o curto-circuito controlado proporciona a vantagem de uma deposição de alta qualidade, menor distorção e quase nenhum respingo, em comparação com a transferência do metal por curto-circuito convencional. Além disso, apesar do curto-circuito controlado ter levado à menor taxa de deposição (Curto-circuito controlado: 0,90 kg/h; curto-circuito convencional: 1,56 kg/h), esta transferência do metal proporcionou camadas com larguras significativamente menores (Curto-circuito controlado: 2,45 mm; curto-circuito convencional: 4,25 mm). Desta forma, o processo GMAW com curto-circuito controlado pode ser aplicado à produção de estruturas de pré-formas delgadas.
Para o processo de deposição multidirecional, conforme mostrado na Figura 10, a transferência do metal do tipo curto-circuito é mais apropriada do que as transferências em voo livre (globular e goticular), devido à influência da força gravitacional [54].
Processos de deposição multidirecional: (a) horizontal; (b) vertical descendente; (c) vertical ascendente. Adaptado de [54].
Na transferência do metal por curto-circuito, a transferência da gota ocorre somente quando a mesma entra em contato com a poça de fusão. Portanto, a transferência das gotas por curto-circuito, conforme Figura 11 (a) é menos influenciada pela força gravitacional do que a transferência em voo livre, conforme Figura 11 (b). Por esta razão, a transferência do metal por curto-circuito tem sido utilizada para depositar material em todas as posições [54].
Processo GMAW - Trajetória das gotas fundidas na transferência do metal: (a) transferência por curto-circuito; (b) transferência em voo livre. Adaptado de [54].
4. MADA Baseada em GMAW com corrente pulsada
O maior desafio para os pesquisadores é como controlar a estabilidade da transferência do metal e o aporte térmico durante o processo de deposição da MADA baseada em GMAW. Neste contexto, o processo GMAW pode ser realizado com diferentes tipos de corrente pulsada e controles de parâmetros, conforme apresentados a seguir.
4.1. GMAW Pulsado
De acordo com Palani e Murugan [55], o GMAW com corrente pulsada proporciona uma transferência do metal goticular modificada, que foi desenvolvido para superar as limitações do processo GMAW convencional. O GMAW Pulsado é um método de soldagem amplamente utilizado na indústria devido à importantes vantagens como baixo custo, alta eficiência e flexibilidade de ajuste de parâmetros [56].
Segundo Zhang, Liguo e Kovacevic [51], o processo GMAW pulsado é caracterizado por uma baixa intensidade de corrente, apenas para manter o arco elétrico, e um pulso de corrente para fundir o arame e desprender a gota. Assim, a corrente média é reduzida e, consequentemente, o aporte térmico é minimizado, o que permite controlar a distorção e operar em velocidades de alimentação de arame mais baixas.
Sinais pulsados são utilizados para obter-se uma transferência do metal mais controlada, por meio de diferentes modos de destacamento de gotas, conforme parâmetros do processo [57,58].
Palani e Murugan [55] afirmam que o GMAW pulsado é caracterizado por seis parâmetros essenciais: corrente de pulso, corrente de base, tempo de pulso, tempo de base, frequência de pulso e ciclo de trabalho, conforme mostrado na Figura 12.
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Corrente de pulso (Ip): é o nível de corrente mais alto. A transferência do metal do tipo goticular é alcançada no pico da corrente quando as gotas são comprimidas e impulsionadas em direção à poça de fusão;
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Corrente de base (Ib): é o nível de corrente mais baixo na forma de onda pulsante. Esta é a corrente que mantém o arco elétrico aberto com baixa energia, embora não seja suficiente para produzir a transferência do metal;
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Tempo de pulso (Tp): Representa a largura do pulso e é o período de tempo entre o momento em que a corrente começa a aumentar e o momento em que começa a diminuir no final do pulso;
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Tempo de base (Tb): Representa a duração da corrente de base;
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Frequência do pulso (F): Representa o número de pulsos de corrente, que ocorrem em um segundo (pulsos por segundo) e é dado pelo inverso do tempo de ciclo (T) em segundos. O tempo de ciclo (T) é definido como o período desde o início de um pulso até o final do tempo de base imediatamente antes do próximo pulso;
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Ciclo de trabalho (CT): É definido como a razão entre o tempo de pulso e o tempo de ciclo.
Segundo Mvola, Kah e Layus [59], a dinâmica da formação de gotas é definida pelo efeito geral das forças associadas, conforme mostrado na Figura 13. A força gravitacional (Fg), a força eletromagnética (Fem) e a força de arrasto do plasma (Fd) atuam como forças de desprendimento. A tensão superficial (Fs) atua como força de retenção, principalmente em baixas correntes, que prendem a gota ao arame. Por outro lado, em alta corrente, a força eletromagnética atua para desprender pequenas gotas do arame.
Zhang Liguo e Kovacevic [51] argumentam que durante o tempo de pulso no processo GMAW pulsado, enquanto o eletrodo é fundido, uma gota continua crescendo. A geometria e a dinâmica da gota são progressivamente alteradas pela força gravitacional e pelo aumento do volume da gota. Além disso, a força de separação e a força de retenção mantêm-se equilibradas até que a gota se desprenda. De acordo com o material e o diâmetro do arame, existe uma tensão superficial máxima, que prende a gota ao arame. Quando a tensão superficial ultrapassa esse máximo, a gota se desprende. Além disso, tanto as forças de desprendimento quanto as de retenção dependem de vários parâmetros e condições que exigem um processo de controle complexo.
Segundo Scotti e Ponomarev [60], recomenda-se na literatura que o destacamento da gota ocorra no início da fase de base, logo após a fase de pico. Neste caso, o destacamento forma uma gota quase esférica, sem a ocorrência de pequenas gotas sequenciais.
A corrente de pulso e o tempo de pulso são considerados os parâmetros críticos que determinam os modos de destacamento de gotas [49]. O GMAW pulsado pode produzir diferentes modos de destacamento de gotas de acordo com o ajuste dos parâmetros de pulso [51]:
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UGPP
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O modo de destacamento de UGPP pode ser obtido selecionando o tempo de pulso adequado. Além disso, a corrente de pulso deve ser maior que o nível de corrente de transição para induzir o desprendimento da gota em cada pulso e, assim, evitar UGMP. Quando a corrente de pulso é muito maior que a corrente de transição, as gotas são formadas e desprendidas muito rapidamente. Assim, o modo de destacamento de UGPP é obtido em uma faixa limitada de tempo de pulso.
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MGPP
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Se o tempo de pulso for maior, a transferência goticular (com gotas menores do que o diâmetro do arame) pode ser obtida e caracterizada como um modo de destacamento de MGPP.
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UGMP
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Segundo Modenesi [49], um tempo de pulso mais curto é insuficiente para promover o destacamento do metal fundido na ponta do eletrodo. Assim, o desprendimento de uma gota só ocorre após vários pulsos de corrente, o que caracteriza o modo de destacamento de UGMP.
Além disso, o curto-circuito em GMAW pulsado difere do curto-circuito em GMAW de corrente contínua. Durante a transferência por curto-circuito em GMAW pulsado, a região de “estrangulamento” da gota é formada entre a gota e a ponta do eletrodo, antes do curto-circuito. No processo GMAW de corrente contínua, a região de “estrangulamento” da gota é formada na ponte líquida, após o curto-circuito [33,61].
Um estudo realizado por Zhai et al. [33] apresenta uma análise comparativa da seção transversal do cordão entre os diferentes modos de destacamento de gotas para o processo de soldagem baseado em GMAW Pulsado, com arame de aço ER50-6 de 1,2 mm de diâmetro, utilizando Ar + 18% CO2 como gás de proteção. Os três modos de destacamento de gotas foram obtidos em diferentes frequências de pulso e correntes médias. Cordões de solda foram depositados sobre chapas de 6 mm de espessura. Ajustando-se diferentes parâmetros de pulso, três modos típicos de destacamento de gotas (UGMP, UGPP e MGPP), foram obtidos no mesmo comprimento de arco (4 mm). Os parâmetros de pulso e os dados relacionados dos experimentos são mostrados na Tabela 1.
Apesar de UGPP ser considerado o modo de destacamento de gotas ideal para a soldagem baseada em GMAW Pulsado [33], de acordo com as características geométricas e os objetivos para o processo de produção, UGPP pode não ser a melhor opção de modo de destacamento para a MADA baseada em GMAW Pulsado.
De acordo com Zhai et al. [33], com o objetivo de obter uma transferência do metal estável com UGPP, a forma de onda da corrente pulsada foi selecionada conforme a Figura 14.
A corrente de pulso (Ip) e o tempo de pulso (tp) são geralmente considerados os principais parâmetros que afetam o modo de destacamento de gotas. Desta forma, a Ip e o tp foram ajustados para obter os diferentes modos de destacamento de gotas.
Utilizando-se o processo GMAW Pulsado, comparou-se os três modos típicos de destacamento de gotas (UGMP, UGPP e MGPP) e alguns resultados qualitativos relacionados à aparência e morfologia dos cordões de solda foram apresentados [33]. A Figura 15 mostra a aparência superficial dos cordões de solda.
É possível observar na Figura 15 que não houve respingos ou fusão incompleta. Porém, comparando-se os três cordões, pode-se observar que há mais ondulações na superfície do cordão de MGPP.
Os resultados obtidos na morfologia dos cordões para cada modo de destacamento de gotas são mostrados na Figura 16. É possível observar a semelhança morfológica entre os modos de destacamento UGMP e MGPP. O modo UGPP resultou em uma superfície mais arredondada, cuja largura e altura do cordão foram menores [33].
Seção transversal do cordão para três modos de destacamento de gotas: (a) UGMP; (b) UGPP; (c) MGPP. Adaptado de [33].
As características morfológicas dos cordões obtidos estão listadas na Tabela 2.
O modo de destacamento UGPP, conforme Figura 16 (b), apesar da largura mínima, apresentou a menor altura; característica normalmente não desejada para a MADA. Além disso, o modo de UGPP apresentou a maior penetração, o que pode induzir um processo de refusão excessivo na camada anterior, durante a deposição de camadas sobrepostas. A profundidade de penetração pode ser influenciada pela frequência de impacto das gotas na poça de fusão. A penetração mais profunda obtida pelo modo UGPP pode ser uma desvantagem para a manufatura aditiva, que requer alta taxa de deposição e penetração reduzida [1,25].
De acordo com a Tabela 2, os modos de UGMP e MGPP apresentaram os maiores valores de altura do cordão, característica favorável à MADA, principalmente devido ao possível efeito no aumento da produtividade. Este exemplo mostra que os parâmetros, o modo de destacamento de gotas e os resultados esperados para a MADA podem ser diferentes em relação aos objetivos dos processos de soldagem.
4.2. GMAW de Duplo Pulso
O GMAW de Duplo Pulso é caracterizado pela aplicação repetida de duas fases pulsantes diferentes [62]. Segundo Cunningham et al. [18], no GMAW de Duplo Pulso, a magnitude e a frequência do pulso dependem do tempo, conforme mostrado na Figura 17.
Segundo Wang et al. [62], a partir dos resultados obtidos em uma pesquisa de GMAW de Duplo Pulso, com arame ER1070 de 1,2 mm para ligas de alumínio, observou-se uma redução na porosidade e alcançou-se um refinamento da estrutura do grão, em comparação ao processo pulsado padrão. Este processo permite o controle da taxa de resfriamento, com um aporte térmico constante, alterando os parâmetros de pulsação [19,63]. Greebmalai et al. [64] mostraram um processo de MADA baseada em GMAW de Duplo Pulso para a fabricação de uma pré-forma de alumínio utilizando um arame ER5356. Assim, concluíram que a profundidade de penetração não é afetada significativamente pelo aumento da frequência se o aporte térmico não for alterado.
4.3. GMAW Pulsado Sinérgico
Uma variante do GMAW Pulsado é o GMAW Pulsado Sinérgico, que é amplamente aplicado em equipamentos de soldagem. O equipamento possui uma fonte de energia controlada digitalmente que cria pulsos de corrente. Os parâmetros de pulso são selecionados automaticamente e a frequência ou duração do pulso está diretamente relacionada à taxa de alimentação do arame. Em cada pulso, uma gota de material fundido é destacada do arame para o metal de base. O controle eletrônico dos parâmetros garante uma uniformidade da penetração e do perfil do cordão de solda [45], o que pode ser uma alternativa viável para a MADA.
Uma vez pré-selecionadas as características do pulso, a taxa de alimentação do arame controla o sistema e ajusta automaticamente os valores dos parâmetros do pulso. Em comparação, a principal desvantagem do GMAW Pulsado não sinérgico é que ele requer configurações individuais dos parâmetros de pulso para cada taxa de alimentação de arame [45].
5. Equipamentos, Processos e Ajustes para Controle e Melhoria da MADA Baseada em GMAW
Diversos equipamentos, processos e ajustes de parâmetros têm sido pesquisados para o monitoramento, controle e melhoria dos resultados da MADA baseada em GMAW.
5.1. Scanner LASER e monitoramento térmico
No processo GMAW, o arco elétrico funde o arame para depositá-lo no substrato, obtendo assim a geometria desejada. Neste sentido, Aldalur et al. [45] apresentaram em sua pesquisa um scanner geométrico a LASER e um pirômetro que foram instalados acoplados à tocha de soldagem para o controle do processo, conforme mostrado na Figura 18.
A cada duas camadas, o scanner digitaliza a geometria, obtendo uma nuvem de pontos que representa as formas geométricas transversais das camadas depositadas e assim, o operador pode decidir a posição Z para a próxima camada. Além disso, a temperatura da pré-forma é medida pelo pirômetro, o que possibilita definir o tempo de resfriamento intercamadas [45].
5.2. Processo GMAW Híbrido – com processamento por fricção e mistura
A fabricação de peças por MADA a partir de processos de soldagem enfrenta três grandes problemas [65]:
-
A presença de defeitos metalúrgicos (distorção, porosidade, trincas de solidificação, tensões residuais, etc.) causados pela transformação de fase líquido-sólido;
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Uma transição brusca de propriedades na interface de duas camadas resulta em delaminação ou falha em condições extremas de trabalho e pode levar a custos operacionais indesejados;
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As propriedades mecânicas ao longo da direção de construção são significativamente diferentes da direção transversal.
Neste sentido, o GMAW híbrido, que combina o processo GMAW convencional e o processamento por fricção e mistura (do inglês: Friction Stir Processing - FSP), foi proposto para melhorar a eficiência estrutural das peças fabricadas [65].
O processo de MADA baseada em GMAW foi aplicado em uma placa de aço de baixo carbono utilizando arame duplo e, em seguida, o FSP foi realizado na interface entre as camadas adicionadas. As imagens das camadas duplas e os resultados do FSP são mostrados na Figura 19.
Os diferentes parâmetros do processo para as amostras fabricadas são mostrados na Tabela 3.
A zona processada é quase insignificante no GMAW+FSP-200, enquanto pode ser claramente visualizada no FSP-300, FSP-400 e FSP-500, respectivamente. As macroestruturas das camadas antes e depois do FSP são mostradas na Figura 20 [65].
Macroestruturas obtidas com GMAW - duplo arame e FSP. a) Macroestrutura obtida com GMAW de duplo arame; b) Macroestrutura obtida com GMAW de duplo arame + processamento de fricção com 200 rpm; c) Macroestrutura obtida com GMAW de duplo arame + processamento de fricção com 300 rpm. d) Macroestrutura obtida com GMAW de duplo arame + processamento de fricção com 400 rpm. e) Macroestrutura obtida com GMAW de duplo arame + processamento de fricção com 500 rpm. Adaptado de [65].
A microestrutura da amostra de duplo arame, conforme Figura 20 (a) apresenta grãos colunares originados da interface líquido/sólido durante o processo. Uma grande trinca de solidificação pode ser observada no cordão depositado, notadamente ao longo da interface de grão colunar. A presença de trinca pode ser observada no corpo de prova GMAW+FSP-200, conforme Figura 20 (b), provavelmente devido à insuficiente geração de calor, levando à deformação plástica do material. Após a realização do FSP, conforme Figuras 20 (c), 20 (d) e 20 (e), tornaram-se visíveis muitas zonas, como zona de fricção, zona termicamente afetada (ZTA) e zona de fusão. Além disso, as microestruturas foram refinadas e as trincas reparadas [65].
5.3. Pré-aquecimento do substrato
Durante o processo de MADA, cada camada funciona como sub-base para a deposição de camadas sucessivas. Na camada seguinte, o metal fundido depositado na camada anterior forma uma nova camada. A aparência superficial da camada recém-depositada depende da anterior. O acabamento superficial e homogeneidade da aparência das camadas impactam diretamente na qualidade da superfície da peça final fabricada, portanto, a temperatura do substrato é uma variável importante que não pode ser ignorada [36].
Um fenômeno importante que pode ser comumente observado é a superfície ondulada (do inglês: humping). De acordo com a teoria, a pressão do arco empurra o metal fundido para a parte traseira da poça de fusão, conforme Figura 21, com uma fina película de metal líquido permanecendo logo abaixo do arco. Durante o processo, com o deslocamento e afastamento da tocha, haverá solidificação precoce da fina camada levando à formação da ondulação, obstruindo o fluxo de retorno do metal fundido [36].
Portanto, comparou-se o fenômeno humping entre duas camadas simples (uma depositada sobre um substrato sem pré-aquecimento e outra após pré-aquecimento). O pré-aquecimento atingiu uma temperatura de aproximadamente 500 C uniformemente em todo o substrato. Todos os outros parâmetros foram semelhantes para essas duas camadas de deposição [36]. Os resultados são mostrados na Figura 22.
A altura média da camada foi medida ao longo da direção de deposição da camada usando uma máquina de medição por coordenadas. A altura média da camada depositada no substrato pré-aquecido variou de 3,1712 mm a 3,1824 mm, enquanto a altura média da camada depositada no substrato sem pré-aquecimento variou de 3,1791 mm a 3,2016 mm. O gráfico mostra uma variação bem menor na altura média da camada depositada no substrato pré-aquecido do que para a camada depositada no substrato sem pré-aquecimento. Portanto, ao pré-aquecer o substrato, o fenômeno de humping foi reduzido até certo ponto e produziu uma superfície com menor rugosidade quando comparado à deposição da camada no substrato sem pré-aquecimento [36].
5.4. Gás de Proteção – composição da mistura e vazão
Os gases de proteção possuem a função de proteger a poça de fusão da contaminação atmosférica e da oxidação durante os processos de transferência e solidificação do metal. O gás de proteção influencia a transferência do metal, a transferência de calor e a fluidez da poça de fusão. Desta forma, o gás de proteção impacta diretamente na morfologia da camada depositada, na qualidade do acabamento superficial e nas propriedades mecânicas do material depositado [67].
Neste contexto, Silwal et al. [67] apresentam um estudo de diferentes gases de proteção em MADA baseada em GMAW, que compara os resultados de uma mistura ternária de He-Ar-CO2 (90-7,5-2,5%) e uma mistura binária de Ar-CO2 (90-10%) durante a fabricação de pré-formas de aço inoxidável martensítico. Os resultados mostram que diferentes geometrias poderiam ser alcançadas alterando-se o gás de proteção, sem alterar os outros parâmetros. A mistura binária de Ar e CO2 produziu uma camada mais larga, enquanto a mistura ternária produziu uma camada mais estreita, com uma maior penetração, como mostrado na Figura 23.
Seção transversal das camadas utilizando misturas diferentes de gás: a) mistura binária; b) mistura ternária [67].
Estudos recentes mostraram, especialmente para a MADA de alumínio, que se a poça de fusão permanecer no estado fundido o maior tempo possível, a porosidade diminui, devido às inclusões gasosas terem tempo suficiente para escapar. Foi observado que uma maior vazão do gás de proteção impacta no aumento da porosidade nas peças de alumínio devido à rápida solidificação da poça de fusão por convecção forçada [68]. Os resultados, conforme Figura 24, mostram a ocorrência de porosidade para diferentes vazões de gás em MADA de alumínio.
Seção longitudinal de pré-formas fabricadas com diferentes vazões de gás: a) 10 L/min, b) 8 L/min, c) 6 L/min [68].
5.5. MADA com forjamento a quente
A MADA com forjamento a quente (do inglês: Hot Forging Wire and Arc Additive Manufacturing - HF-WAAM), é baseada no processo de forjamento a quente. O principal objetivo da MADA com forjamento a quente é utilizar o comportamento de deformação viscoplástica do material em altas temperaturas para reduzir tensões residuais, aumentar a ductilidade, eliminar operações de pós-tratamento térmico e homogeneizar a estrutura do grão [69].
O processo de forjamento na MADA envolve a utilização de um martelo instalado dentro do bocal de gás, que é acionado por um atuador vibratório, conforme Figura 25. O atuador vibratório pode ser eletromagnético (solenóide) ou mecânico (cilindro pneumático), podendo operar em diferentes frequências. O martelo é acionado simultaneamente, logo após a deposição do material, e assim, a camada é forjada instantaneamente, ocorrendo uma deformação local, em temperaturas próximas a 900°C, que ultrapassam a temperatura de recristalização do material. Para cada camada depositada, o processo promove a recristalização da microestrutura e o refinamento do grão da camada anterior [69].
Duarte et al. [69] apresentam os resultados do processo de deposição de amostras de aço inoxidável AISI 316L. A Figura 26 mostra as pré-formas de deposição metálica com diferentes forças de forjamento, geometrias de martelo e gás de proteção. As amostras sem utilização de gás de proteção apresentam formação de poros. A análise comparativa evidencia os resultados do forjamento a quente, que reduziu a porosidade nas peças produzidas, com melhorias na resistência ao escoamento e na resistência à tração final.
Duarte et al. [69] ainda destacam que o martelo de forjamento exerce um impacto considerável na geometria da pré-forma, pois mantém as camadas planas e uniformes ao longo do seu comprimento, diminuindo assim esta característica que necessita controle e correção na MADA. As superfícies superiores planas são obtidas devido às condições constantes do processo onde o martelamento é aplicado, pois como a deformação ocorre com uma força constante e sempre à mesma distância do arco elétrico, a temperatura do material e suas propriedades são as mesmas.
5.6. Laminação aplicada à MADA
Os pesquisadores Dirisu et al. [8] detalharam a MADA do Ti-6Al-4V e como a laminação entre passes das camadas depositadas pode melhorar as propriedades mecânicas através do refinamento microestrutural dos grãos. O processo de laminação entre passes submete grande pressão na superfície da camada por meio de rolos, para obter a deformação plástica do metal. A deformação por laminação pode alterar a estrutura cristalina colunar e, então, aumentar a dureza e a resistência do material depositado [70]. O escoamento e a resistência à tração foram aumentados em 18-25%, eliminando a anisotropia do material. Os pesquisadores também observaram que houve redução na ocorrência de porosidade [8,70,71]. A Figura 27 mostra alguns métodos estudados para laminação entre passes das camadas depositadas.
Métodos de laminação: (a) vertical com rolo perfilado; (b) laminação simultânea; (c) laminação dupla lateral (d) laminação com rolo perfilado invertido para seções de maior largura [70].
Em outro estudo, Elmer et al. [72] apresentam o processo de MADA utilizado para fabricação de chapas de aço inoxidável 304 L. Após a deposição, as pré-formas são usinadas para tornar as superfícies planas e padronizadas. Na sequência, as chapas obtidas seguem para a laminação e recozimento. Segundo Liu et al. [73] o tratamento térmico de recozimento pode minimizar tensões residuais e melhorar as propriedades mecânicas dos materiais depositados. O pós-processamento consiste na laminação mecânica das pré-formas até deformações de 25% e 40% e posteriormente submetidas à diferentes tipos de recozimento: 650 ºC (recozimento para alívio de tensões), 850 ºC (recozimento de recristalização) e 1050 ºC (recozimento pleno). Os resultados, de acordo com a Figura 28, revelam que a anisotropia das propriedades mecânicas e físicas está presente na microestrutura após a deposição e persiste nas chapas laminadas antes do recozimento. A densidade de maclas aumenta com o aumento da tensão.
Microestruturas de aço inoxidável 304 L fabricado por MADA, após laminação e antes do recozimento: a) laminada à 25%, e b) laminada à 40% [72].
As chapas fabricadas por MADA laminadas e recozidas à 1050 0C, e as chapas laminadas à 40% e recristalizadas à 850 ºC apresentaram completa eliminação de textura e anisotropia. A Figura 29 compara as microestruturas de chapas que foram laminadas à 40% e recozidas em diferentes temperaturas. A Figura 29 (a) mostra a microestrutura após recozimento à 650 0C, onde não há evidência de recristalização e as maclas estão presentes em um padrão chevron. A Figura 29 (b) mostra a microestrutura após tratamento térmico à 850 0C, com grãos recristalizados da ordem de 20 µm de diâmetro, com maclas de recozimento presentes por toda a área. Em alguns locais, os limites das dendritas, onde a ferrita está presente, são visíveis. A Figura 29 (c) mostra a microestrutura recristalizada após tratamento térmico à 1050 0C, onde qualquer ferrita remanescente na microestrutura foi esferoidizada ou transformada em fases intermetálicas. Os grãos recristalizados cresceram na ordem de 50 µm de diâmetro, com maclas de recozimento também presentes em muitos grãos [72].
Microestruturas após laminação à 40% e recozimento à: a) 650 0C (alívio de tensões); b) 850 0C (recristalização); c) 1050 0C (recozimento pleno) [72].
5.7. Sistemas de resfriamento ativo da pré-forma
De acordo com Li et al. [74] durante a deposição de camadas sobrepostas na MADA, o acúmulo de calor proveniente do aporte térmico, gradativamente, retarda a solidificação da poça de fusão, o que leva à variação da geometria das camadas depositadas. O aporte térmico pode ser controlado por meio do ajuste dos parâmetros do processo, porém em grande parte, os ajustes levam à redução da velocidade de alimentação do arame, o que influencia diretamente na redução da taxa de deposição.
Desta forma, os autores apresentam um sistema termoelétrico de resfriamento ativo para a MADA, conforme Figura 30, com o objetivo de minimizar o acúmulo de calor durante a deposição, por meio da dissipação de calor controlada, reduzindo assim a diferença de temperatura entre as camadas inferior e superior.
a) Sistema robótico para MADA com resfriamento ativo. b) Detalhe do sistema de resfriamento ativo. Adaptado de [74].
Entre os resultados do estudo destaca-se que, as camadas tendem a ser mais estreitas e mais altas com a aplicação do sistema de resfriamento, conforme Figura 31, o que se considera um benefício para a MADA, especialmente na fabricação de estruturas de paredes finas, além da maior precisão geométrica e produtividade.
a) Seção transversal de pré-formas com 10 camadas. a) com o sistema de resfriamento ativo. b) sem o sistema de resfriamento ativo [74].
Segundo da Silva et al. [75], o acúmulo de calor, além de impactar em alterações metalúrgicas, também influencia diretamente nos parâmetros geométricos e superficiais das peças produzidas pela MADA. Neste contexto, os autores apresentam um sistema denominado Resfriamento Ativo por Quase-Imersão (do inglês: Near Immersion Active Cooling - NIAC), para reduzir o acúmulo de calor durante a deposição e assim, minimizar as limitações inerentes à MADA. O sistema, conforme Figura 32, é composto por um tanque com água, no qual o processo de deposição de material ocorre com a quase-imersão contínua e controlada da pré-forma metálica (liga Al 5356), fabricada por MADA baseada em GMAW com curto-circuito controlado.
A validação e análise dos resultados foi realizada por meio da comparação entre três diferentes modos de resfriamento da pré-forma durante a deposição: natural (resfriamento pelo ar do ambiente), passivo (resfriamento da base do substrato com a água em nível constante) e sistema NIAC, conforme Figura 33.
Entre os resultados apresentados, observou-se que o sistema NIAC foi eficiente para minimizar o acúmulo de calor na MADA do alumínio. Não houve aumento significativo na porosidade devido ao resfriamento com água. Além disso, destaca-se que o sistema NIAC proporcionou a fabricação de pré-formas mais altas, com uma largura aproximadamente constante e ondulação superficial menor, conforme mostrado na Figura 34.
Seção transversal das pré-formas depositadas com o mesmo número de camadas e parâmetros operacionais, com diferentes modos de resfriamento. Adaptado de [75].
6. Conclusões
Entre os diversos processos de manufatura aditiva metálica, a fonte de energia por arco elétrico, apesar da menor densidade de energia, comparada à sistemas como o feixe de LASER, apresenta-se como uma alternativa viável, principalmente em relação à taxa de deposição de material. Neste contexto, a MADA baseada em GMAW possui uma grande variedade de pesquisas sobre diferentes materiais e processos complementares, o que a destaca como uma oportunidade para o desenvolvimento de novos processos e aplicações.
A partir dos tipos transferências de metal e as pesquisas apresentadas, os resultados sugerem que a MADA baseada em GMAW com curto-circuito controlado pode proporcionar excelentes resultados, principalmente em relação ao controle do aporte térmico e na deposição de geometrias complexas. Além disso, destaca-se a possibilidade de controle da taxa de resfriamento, com um aporte térmico constante na MADA baseada em GMAW de Duplo Pulso.
Além dos resultados obtidos pelos diferentes modos de transferência do metal, outros processos e equipamentos complementares podem proporcionar melhorias significativas nos resultados da MADA, conforme apresentados na seção 5. A aplicação de Scanner LASER e pirômetro acoplados à tocha de deposição pode ser uma alternativa relevante para o controle do aporte térmico e consequentemente para a geometria e acabamento superficial da pré-forma depositada.
O pós-processamento de fricção após a deposição do metal obteve resultados positivos, com microestruturas refinadas e eliminação de trincas, o que pode garantir maior segurança e confiabilidade em aplicações de peças estruturais.
O pré-aquecimento do substrato é um processo de implementação relativamente simples e que pode impactar positivamente a geometria das camadas depositadas, com a redução de ondulações e menor rugosidade.
A redução de porosidades, melhorias nas propriedades mecânicas, na geometria e no acabamento superficial podem ser obtidas por meio da composição e do ajuste da vazão do gás de proteção, o qual influencia a transferência do metal, a transferência de calor e a fluidez da poça de fusão. Destaca-se neste exemplo, a complexidade de variações de parâmetros que podem impactar os resultados da MADA e as oportunidades de pesquisas voltadas para os parâmetros do processo.
A MADA com forjamento a quente apresenta bons resultados para reduzir as tensões residuais, aumentar a ductilidade e homogeneizar a estrutura do grão, com uma viabilidade técnica promissora, principalmente devido à energia de aquecimento necessária ser aproveitada diretamente do aporte térmico promovido pelo processo de deposição do metal.
A laminação entre passes das camadas depositadas apresenta resultados positivos para a redução das porosidades e melhoria nas propriedades mecânicas do material depositado, entretanto, a complexidade do sistema mecânico de laminação pode ser um fator de impacto negativo na viabilidade técnica.
Os resultados da laminação e recozimento após a MADA apresentam melhorias significativas nas propriedades mecânicas e na redução ou eliminação da anisotropia presente nas pré-formas depositadas, além disso, demonstram a importância e a viabilidade técnica do pós-processamento, conforme requisitos de projeto da peça.
Os sistemas de resfriamento ativo apresentados demonstram alternativas para o controle do acúmulo de calor nas pré-formas depositadas. Os conceitos dos sistemas e resultados obtidos poderão fornecer mais subsídios técnicos para o aprimoramento e a viabilidade de novas tecnologias para minimizar os efeitos do aporte térmico na MADA.
A MADA pode trabalhar com diferentes processos, cada um com parâmetros, condições e resultados específicos. O processo de soldagem a arco adequado para a manufatura aditiva não é uma simples troca, devido à vários parâmetros inerentes a cada processo de soldagem, materiais e resultados esperados.
A escolha do processo de MADA mais adequado não deve se restringir apenas à melhor qualidade para o produto. Este trade-off deve considerar também premissas como: material, local de trabalho, equipamentos disponíveis e requisitos técnicos como produtividade esperada, precisão geométrica, acabamento superficial necessário e principalmente o custo. Finalmente, apresenta-se as perspectivas futuras de pesquisa para a MADA na Seção 7.
7. Perspectivas Futuras
Apesar do processo de MADA ser um campo de pesquisa que já vem sendo pesquisado há algumas décadas, há ainda muito a se pesquisar e desenvolver a respeito da técnica. Desta forma, os comparativos e resultados apresentados neste artigo não são totalmente abrangentes. Destaca-se como principais desafios, o controle da transferência do metal e do ciclo térmico, buscando equilibrar a taxa de deposição e o aporte térmico. Espera-se que futuros pesquisadores possam realizar comparativos técnicos adicionais como a MADA baseada em GMAW Pulsado, GMAW Duplo Pulso, GMAW Híbrido e diferentes materiais. Além disso, espera-se também o aprimoramento de conceitos, tecnologias de equipamentos e processos complementares à MADA. As futuras pesquisas, além de otimizar os processos de MADA, poderão principalmente, auxiliar na tomada de decisão do processo de manufatura aditiva adequado para diferentes condições.
Agradecimentos
Este estudo foi financiado em parte pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de financiamento 001. Os autores também agradecem ao CNPq, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - PPGMEC da Universidade Federal de Minas Gerais e ao Laboratório de Robótica, Soldagem e Simulação (LRSS) pelo apoio no desenvolvimento deste trabalho.
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Como citar: Rezende RF, Arias AR, Lima II EJ,Coelho FGF. Manufatura aditiva metálica: uma visão geral e perspectivas para a manufatura aditiva por deposição a arco baseada no processo GMAW. Soldagem & Inspeção. 2024;29:e2915. https://doi.org/10.1590/0104-9224/SI29.15
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Datas de Publicação
-
Publicação nesta coleção
10 Jan 2025 -
Data do Fascículo
2024
Histórico
-
Recebido
02 Nov 2023 -
Aceito
01 Nov 2024