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COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 175133

Materiais e modelagem computacional de protótipos João Batista Ferreira Neto

Palestra apresentada na Workshop Manufatura Aditiva: Tendências, novos mercados e

proposta de consolidação de uma estratégia nacional, 2018, São Paulo A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT

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www.ipt.br

Manufatura aditiva Materiais e modelagem computacional de protótipos

João Batista Ferreira Neto

São Paulo, 13 de março de 2018.

Agenda

Breve apresentação da capacitação do grupo

Aplicações e desafios da MA

Projetos e atividades em andamento em MA

Visão do IPT para projetos de P&D em MA

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Centro de Tecnologia em Metalurgia em Materiais – CTMM

Prover soluções tecnológicas aplicáveis a processos e produtos industriais nas áreas de metalurgia e materiais:

melhoria de processos produtivos

concepção e desenvolvimento de novas tecnologias para produção e aplicação de materiais

avaliação de desempenho de materiais

Capacitação do grupo: áreas de atuação

Centro de Tecnologia em Metalurgia e

Materiais - CTMM

Centro de Tecnologia em Metalurgia e

Materiais - CTMM

Laboratório de Corrosão e Proteção -

LCP

Laboratório de Corrosão e Proteção -

LCP

Laboratório de Processos

Metalúrgicos - LPM

Laboratório de Processos

Metalúrgicos - LPM

Pirometalurgia Pirometalurgia

Fundição Fundição

Tratamento de Minérios e Resíduos

Industriais

Tratamento de Minérios e Resíduos

Industriais

Processamento termomecânico Processamento termomecânico

Metalurgia do pó Metalurgia do pó

Principais clientes do LPM

Pirometalurgia Elaboração e refino de metais

e ligas (vácuo, eixe de elétrons, solidificação controlada

Tratamento de Minérios e Resíduos Industriais

Rotas de beneficiamento mineral: minérios e resíduos industriais

Aglomeração de finos

LPM: linhas de atuação

Microestrutura Propriedades Desempenho (Alloy Design)

Fundição Ligas resistentes ao desgaste

(cilindros laminação, matriz forjamento e corpos moedores)


HSS

(10-18% MC + M2C + M7C3)

Centrífuga.mov

Processamento Termomecânico Conformados (ferrosos e não-ferrosos), ferramentas e lubrificantes

Análises de desempenho (Processos de conformação a quente, a frio, fadiga térmica)

Caracterização de desgaste



Esfeirodização do pó

Metalurgia do pó Desenvolvimento de pós metálicos (Manufatura Aditiva)

Atomização a gás inerte, HDH, moagem

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Manufatura aditiva no IPT

Prospecção tecnológica inserida no Planejamento estratégico do IPT

Manufatura aditiva no IPT Em 2015 o Planejamento Estratégico do IPT definiu que o tema a ser utilizado para o primeiro piloto de prospecção tecnológica seria a Manufatura Aditiva

Em 2015 o Planejamento Estratégico do IPT definiu que o tema a ser utilizado para o primeiro piloto de prospecção tecnológica seria a Manufatura Aditiva

• considerou todas as análises e tendências de uma tecnologia disruptiva, em crescimento

Em 2016 foi finalizado o piloto

• resultado foram sugestões para a implantação desta capacitação no IPT

No final de 2016 foi montado um curso sobre MA

• 40 horas e aplicado para 20 pesquisadores de diversos centros do IPT

Existe hoje um grupo ad hoc no IPT com reuniões mensais sobre o tema.


Manufatura aditiva

Principais aplicações

• Aeroespacial

• Automotiva

• Médica e odontológica (implantes)

• Energia

• Eletrônicos

• Outros segmentos da indústria

Algumas das principais vantagens

• Menor geração de resíduos e consumo de energia

• Liberdade de Design

• Aumento de funcionalidade dos produtos

• Flexibilidade de produção

• Reparo e remanufatura (Manufatura Hibrida)

Alguns dos principais desafios

• Produtividade e custo (aumento da veloc de impressão, pós-processamento –HIP, etc)

• Materiais (Tailor-made para MA)

• Robustez e Estabilidade (reduzir retrabalho)

• Qualidade dos produtos

• Padronização e Certificação

• Treinamento e Educação (especifica para MA)

Aeroespacial

•Vantagem: menor série de produção (comparativamente a automobilística)

•Titânio e suas ligas

•Ligas de Alumínio

•SuperLigas

•Aplicações hoje principalmente em peças de ligas Ti6Al4V e Inconel 718)

•Ex: Bocal de injeção de combustível (GE)

•Já entrando na escala de produção para alguns componentes

•Número de aplicações está aumentando

•GE e Airbus: Investimento em centenas de máquinas horizonte: 2020

•Outras: GKN, Comac, Honeywell

Automotiva

•Em geral para peças em grande escala ainda não econômica

•Peças mais complexas (resfriamento otimizado – camisas refrigeradas: até 100 mil peças/ano para um determinado fabricante na Europa

•Ferramentas para fabricação (moldes)

•14% da MA é empregada em motores

Outros Segmentos da indústria

•Aplicação final do produto e partes funcionais, mas também uso indireto em ferramentas de produção

•Moldes de fundição

•Moldes para injection molding

•Moldes para conformação a quente

•Peças com elevada Resistencia ao desgaste para na produção de dispositivos

Manufatura aditiva: materiais

Médica e odontológica

•Na área médica já se atingiu escala de produção:

•Instrumentação

•Implantes e próteses

•Ampla aplicação da área odontológica (aplicação funcional e ferramentas)

Consumíveis

•Moda

•Joalheria

•Acessórios

•Decoração

•Brin

•Eletrônicos

•Brinquedos

Estruturas com circuitos eletrônicos embarcados (sensores, baterias, etc)

•Funcionalidades específicas: condutividade elétrica e térmica, escudos de radiação, dispositivos óticos, retardadores de chamas

•Condutores inseridos em substratos poliméricos

Energia

•Reparos, prototipagem, manufatura em diversos setores de geração de energia

•Palhetas de turbinas

•Reparos no local (indústria de óleo e gás)

•Energia Solar

•Queimadores e reparos de queimadores

•Moldes para turbinas eólicas

•Materiais: Superligas a base de Ni, ligas de Ti, Co-Cr-Mo, aços inox, aços marging, etc

•GE e Siemens têm investido largamente nesta área

Manufatura aditiva: materiais

Manufatura aditiva: matérias-primas

Pós metálicos produzidos por atomização a gás inerte, atomização a plasma, fios ou pós para DED (direct energy deposition)

• Ligas a base de Ni, ligas a base de Co, ligas de Ti, aços inox, aços ferramenta, aços rápidos, aços maraging, ligas de cobre

Alguns Produtores

•HC Starck, AP&C and TLS Technik , Carpenter Powder Products, Erasteel, Höganäs, Sandvik and Uddeholm

Fabricação limitada para power bed, com preços elevados: 150 a 800 euros/kg (dependendo da liga a fornecedor)

Há mercado para fornecedores de pós e fios. Muitos focados na manufatura convencional que tem que ser adaptada para os requisitos da MA (esferoidicidade, tamanho de partícula, composição química)

Manufatura aditiva: alguns números

[


Projetos em andamento

Obtenção de próteses ortopédicas de ligas Nb-47Ti e Ti-13Nb-13Zr por fusão seletiva a laser

• Obtenção de lingotes das ligas Ti-13%Nb-13%Zr e Nb-47%Ti.

• Obtenção de pós das ligas Ti-13%Nb-13%Zr e Nb-47%Ti.

• Confecção de um conjunto de dez próteses ortopédicas destinadas à realização de ensaios clínicos em pacientes da AACD (uma das parceiras no projeto)

• técnica de manufatura aditiva denominada fusão seletiva a laser.

• A realização e o acompanhamento dos ensaios clínicos não estão contemplados nesse projeto.

Principais atividades:

Desenvolvimen- to de ligas

Obtenção de pós da liga

Esferoidização dos pós

Fusão seletiva a laser


Caracterização das próteses:

Ensaio de fadiga em líquido sinovial - IPT

Ensaio de fadiga ao ar - UFSCAR

Citotoxicidade - IPT

Ensaio de corrosão – IPT

Ensaios mecânicos normalizados – IPT

Ensaios Clínicos após projeto (AACD) em até 2 anos

Fadiga em líquido

sinovial

MEV-FEG


Nb47Ti Ti13Nb13Zr

500x 5.000x

500x 5.000x

Nb47Ti HDH

Ti13Nb13Zr atomizado a plasma

Nb47Ti – testes de parametrização

Principais atividades do IPT no projeto:

• Otimização dos parâmetros de atomização visando pós metálicos para utilização em DED;

• Modelamento do processo de atomização a gás inerte com modelagem matemática de ruptura de jatos e atomização secundária de metal líquido em atomização.

• Interessado:

Estudo, desenvolvimento e aplicação de processo híbrido: Manufatura Aditiva (MA) + High Speed Machining/Grinding (HSM/G)

Projeto Temático

Sequência de Subprojetos para pesquisar o tema Processos Híbridos de manufatura

Aplicação: Molde para injeção de Termoplásticos (AISI H13) Reparo de Palheta de Turbina para geração de energia (AISI 316 L)

Otimização dos parâmetros de atomização visando pós metálicos para utilização em DED

• Pressão do gás de atomização

• Temperatura do metal líquido

• Diâmetro do filete de metal líquido

• Pressão da câmara de fusão

• Razão massa gás/massa metal

Principais parâmetros a estudar:

Caracterização do pó atomizado: • Formato de partícula • Reometria do pó • Distribuição de tamanho de partícula • Análise química.

Pós a serem desenvolvidos: • AISI H13 • AISI 316L Faixa granulométrica 45 a 106 µm

Estudo, desenvolvimento e aplicação de processo híbrido: Manufatura Aditiva (MA) + High Speed Machining/Grinding (HSM/G)

Modelagem matemática de ruptura de jatos e atomização secundária de metal líquido em atomização.

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Processos usuais de fabricação e fabricação por MA

Aço/Liga

Fundição, usinagem, conformação, sinterização

Design dispositivo/ produto

aplicações

Combustão (queimadores)

Combustão (queimadores)

Moldes refrigeradores (Plásticos, Al,

vidros)

Moldes refrigeradores (Plásticos, Al,

vidros)

Filtros Filtros Emulsificadores e

misturadores Emulsificadores e

misturadores

Processos Usuais de fabricação

Empresa/Cliente interessado

Desempenho (resfriamento,

mistura, combustão,

filtragem, etc.)

Máximo desempenho

Design limitado pelo processo de

fabricação

Seleção materiais (aços, ligas)

Aço/Liga

Produção de pós

Pó

Impressão 3D

Modelagem da função (transf. calor, massa, fluidodinâmica, rest. Mecânica, corrosão

Design de dispositivo

aplicações

Combustão (queimadores) Combustão (queimadores) Moldes refrigeradores (Plásticos, Al, vidros)

Moldes refrigeradores (Plásticos, Al, vidros)



misturadores




filtragem, etc.)

Liberdade no processo de fabricação

Seleção materiais (aços, ligas)

Máximo desempenho: outro patamar

Processos de fabricação por MA

https://www.ptonline.com/products/tooling-3d-printed-mold-inserts-with-conformal-cooling

https://www.hts-ic.com/int/en/itherm-

technology/conformal-cooling/

Simulação de resfriamento de molde de injeção de Al

Sistema de resfriamento

construído por MA

Simulação de resfriamento de molde de injeção de Al

Resfrigeração Conforme (Conformal Cooling) O canal de refrigeração conforme é uma passagem de líquido de resfriamento que segue a forma ou o perfil do núcleo ou cavidade do molde para realizar um processo de refrigeração uniforme e rápido, utilizado hoje para moldagem por injeção ou processos de moldagem por sopro.

Molde para injeção de plástico produzido por MA a partir de aço AISI 420 modificado. Já é comercializado. Créditos: OPM Laboratory Co. Ltd., Japão.

Processos dependentes do resfriamento

Solidificação • Efeito sobre o refino • Formação de inclusões • Formação de porosidades

Resfriamento após conformação e tratamentos térmicos • Efeito sobre distorções • Controle das fases

formadas na microestrutura

• Controle das propriedades mecânicas finais

• Fonte de trincas • Efeito sobre a vida das

ferramentas

coo

ling

rate

doi:10.3390/met6030053

Desenvolvimentos a explorar

Estampagem a quente

Injeção de metais

Forjamento

Lingotamento contínuo

Soldagem

etc.

B-Pillar

Tailored blanks – Hot stamping Método utilizado hoje

Créditos: ThyssenKrupp

Aço/Liga

Produção de pós

Pó

Impressão 3D

Modelagem da função (transf. calor, massa, fluidodinâmica, rest. Mecânica, corrosão

Design de dispositivo

aplicações

Combustão (queimadores) Combustão (queimadores) Moldes refrigeradores (Plásticos, Al, vidros)

Moldes refrigeradores (Plásticos, Al, vidros)



misturadores




filtragem, etc.)

Liberdade no processo de fabricação

Seleção materiais

(aços, ligas)

Parceiros: CTI, SENAI-Joinville

Máximo desempenho: outro patamar

Processos de fabricação por MA

Parceiros: CTI, SENAI-Joinville

Desafios em materiais

• Materiais mais bem desenvolvidos no mercado para MA:

• maior desafio está no modelamento e design do dispositivo produzido por MA e menos na sanidade/especificação do dispositivo

• Materiais mais complexos (ex: MMC) que precisam ser adequados para MA (atingir propriedades requeridas, sanidade, certificação) em que o projeto/design é importante, mas vem em uma segunda etapa

Desfile em NYC

(1900)

Tecnologias Disruptivas

Inovação: 1 carro

no desfile

Desfile em NYC

(1900)

Tecnologias Disruptivas

Apenas 1 cavalo no

desfile

Desfile em NYC

(1913)

13 anos depois.....

Limitada produção por MA

2018

Peça produzida por técnica convencional

alguns anos depois......

Obrigado!

CTMM/LPM [email protected]

mailto:[email protected]

comunicaÇÃo tÉcnica - ipt · palestra apresentada na workshop manufatura aditiva: tendências,...

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