Orientador: Prof. Dr. Mateus Barancelli Schwedersky
Coorientador: Prof. Dr. Régis Henrique Gonçalves e Silva
RESUMO
A manufatura aditiva com deposição a arco utilizando o processo GMAW é uma tecnologia emergente que desperta grande expectativa em diversos setores industriais devido à capacidade de construir peças com melhor produtividade e menor custo que outras tecnologias como GTAW, PAW e Laser. Além disso, oferece a capacidade de produzir peças com boas propriedades mecânicas e relativa complexidade. No entanto, a implementação efetiva dessa tecnologia enfrenta desafios significativos em relação aos processos convencionais de fabricação, como a dificuldade de obter a geometria desejada em peças que utilizam geometria complexa. Esta tese teve como objetivo central desenvolver um sistema preditivo de parâmetros e diretrizes operacionais para a manufatura aditiva por soldagem a arco, utilizando uma variante CMT do processo de soldagem GMAW. Para alcançar esse objetivo, foram realizadas análises para mapear a faixa operacional dessa variante e investigar os efeitos de diferentes misturas gasosas na dinâmica da transferência e na geometria do cordão. Além disso, foi desenvolvido um sistema de controle de temperatura interpasse com base em um sensor de temperatura infravermelho e uma base refrigerada para fixação do substrato. Foram elaboradas diretrizes operacionais, incluindo o desenvolvimento de algoritmos para sobreposição vertical e horizontal, análise de estratégias de intersecção, conexão e trajetórias de deposição, compiladas em um algoritmo de predição de parâmetros de soldagem e diretrizes operacionais. Os principais resultados obtidos indicam dentre as misturas gasosas avaliadas para o arame ER70S6, a mistura com 8% de CO2 + Ar mostra-se mais adequada, possibilitando operações em uma faixa de velocidade de alimentação entre 4 e 7 m/min e com velocidades de soldagem entre 30 e 75 cm/min. Além disso, observou-se que a temperatura interpasse acima de 200°C tem um impacto significativo na geometria do cordão. Com o sistema de controle de temperatura interpasse foi possível monitorar e controlar o início de novas camadas sem alterações significativas na geometria do cordão. Na sobreposição vertical, os cordões apresentaram leves variações na largura e altura em relação ao cordão base, sugerindo para o incremento vertical uma diminuição média de 10% no valor da altura do cordão para garantir uma sobreposição consistente. Para a sobreposição horizontal, o modelo criado sugere que a distância entre centros de cordões deve ser igual a 67% da largura do cordão base. Intersecções contínuas entre os cordões depositados foram mais adequadas, evitando acumulações e desvios significativos. Em conexões em caminhos fechados, alternar o ponto de início de cada camada e inverter o sentido a cada camada reduziu desvios ao longo da peça. As propriedades mecânicas das peças demostraram isotropia e valores adequados para o material utilizado. O algoritmo de predição de parâmetros demonstrou eficácia na segmentação e parametrização das peças de forma adaptativa com base na base de dados e diretrizes pré-estabelecidas. Em conclusão, este trabalho oferece contribuições significativas para a implementação eficiente da manufatura aditiva por soldagem a arco, facilitando a produção de peças com qualidade e eficiência.
Palavras-chave: Fabricação aditiva; Alimentação dinâmica; Automação da Soldagem; Soldagem Adaptativa.
ABSTRACT
Additive manufacturing with arc deposition using the GMAW process is an emerging technology that is generating great expectations in various industrial sectors due to its ability to build parts with better productivity and lower cost than other technologies such as GTAW, PAW, and Laser. Additionally, it offers the capability to produce parts with good mechanical properties and relative complexity. However, the effective implementation of this technology faces significant challenges compared to conventional manufacturing processes, such as the difficulty in obtaining the desired geometry in parts that use complex geometries. This thesis aimed to develop a predictive system of parameters and operational guidelines for arc welding additive manufacturing using a CMT variant of the GMAW welding process. To achieve this goal, analyses were conducted to map the operational range of this variant and investigate the effects of different gas mixtures on transfer dynamics and bead geometry. Additionally, an interpass temperature control system was developed based on an infrared temperature sensor and a refrigerated base for substrate fixation. Operational guidelines were developed, including the development of algorithms for vertical and horizontal overlap, analysis of intersection strategies, connection, and deposition trajectories, compiled into a welding parameter prediction algorithm and operational guidelines. The main results obtained indicate that among the gas mixtures evaluated for ER70S6 wire, the mixture with 8% CO₂ + Ar is more suitable, allowing operations in a feed speed range between 4 and 7 m/min and with welding speeds between 30 and 75 cm/min. Furthermore, it was observed that an interpass temperature above 200°C has a significant impact on bead geometry. With the interpass temperature control system, it was possible to monitor and control the start of new layers without significant changes in bead geometry. In vertical overlap, the beads showed slight variations in width and height relative to the base bead, suggesting a vertical increment of an average 10% reduction in bead height value to ensure consistent overlap. For horizontal overlap, the created model suggests that the distance between bead centers should be equal to 67% of the base bead width. Continuous intersections between weld beads were more suitable, avoiding significant accumulations and deviations. In connections with closed paths, alternating the start point of each layer and reversing the direction each layer reduced deviations along the part. The mechanical properties of the parts demonstrated isotropy and adequate values for the material used. The parameter prediction algorithm demonstrated effectiveness in segmenting and parameterizing the parts adaptively based on the pre-established database and guidelines. In conclusion, this work offers significant contributions to the efficient implementation of arc welding additive manufacturing, facilitating the production of quality and efficient parts.
Keywords: Additive manufacturing; Dynamic feeding; Welding automation; Adaptive welding.
REFERÊNCIA
GALEAZZI, Daniel. Desenvolvimento de um Sistema Integrado de Manufatura Aditiva por Deposição a Arco Usando a Variante GMAW com Alimentação Dinâmica CMT. 2024. 278 p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2024.