Desenvolvimento de particulas de aço DIN 20MnCr5 recobertas com PP pelo processo de dissolução-precipitação e sua utilização na manufatura aditiva indireta

Abstract

A manufatura aditiva indireta de metais apresenta um potencial para a produção de grandes lotes de peças metálicas, além de usufruir de vantagens tipicamente atribuídas aos processos de moldagem de pós por injeção. Neste contexto, este trabalho consistiu em desenvolver e avaliar um feedstock para o processo de fusão de leito de pó a laser (FLP-L) indireto constituído de partículas de aço DIN 20MnCr5 recobertas com PP por dissolução-precipitação e utilizá-lo para a fabricação de corpos de prova à verde e posterior sinterização para obter uma peça metálica. A metodologia empregada procurou avaliar a influência do teor do polímero (20, 30 e 40 vol%) na morfologia e reologia das partículas do feedstock com o objetivo de indicar a composição mais adequada para a fabricação dos corpos de prova, sob aspectos de morfologia e escoabili-dade do pó. Deste modo, foi possível identificar partículas mais irregulares, podendo indicar um excesso de polímero no recobrimento, para as composições com 30 e 40 vol% de PP. Já a composição com 20 vol% PP apresentou partículas esféricas e regulares, com melhor escoabi-lidade. Experimentos preliminares de fabricação em um equipamento de FLP-L, indicaram que os melhores corpos de prova foram obtidos utilizando uma temperatura de pré-aquecimento do pó de 70 °C, bem abaixo da janela de sinterização indicada pela análise por DSC do PP puro, de 117 a 162 °C. Este resultado pode indicar que as partículas metálicas interferiram na crista-lização do PP durante a etapa de recobrimento, logo obtendo uma baixa cristalinidade. Amos-tras fabricadas no equipamento de FLP-L com laser fibra, obtiveram resultados satisfatórios, mostrando ser possível fundir e consolidar indiretamente o ligante polimérico através do aque-cimento das partículas metálicas pela fonte de laser. As caracterizações quanto à densidade geométrica, revelaram que maiores aportes de energia na fabricação resultaram em maiores valores de densidade geométrica da amostra à verde, sendo o parâmetro com 40 W de potência do laser e 2000 mm/s de velocidade de varredura o que possibilitou obter 50% de densidade do compósito. Análises de MEV revelaram que as microestruturas dos corpos de prova foram in-fluenciadas pelos parâmetros de fabricação, exercendo uma consequência direta na etapa pos-terior de sinterização. As amostras que atingiram as menores densidades geométricas após o processo de FLP-L (à verde), foram as que tiveram maior densificação após a sinterização (peça metálica), de até 42,15% e densidade relativa de 47%. No entanto, esta densificação se mostrou anisotrópica, sendo a combinação com 30 W e 3000 mm/s, a que obteve a maior anisotropia, com contração de ~6% nos eixos XY e 23,66% no eixo Z. A combinação com 40 W e 2000 mm/s apresentou uma contração mais homogênea nos eixos XYZ de aproximadamente 4%. A microestrutura das amostras sinterizadas mostrou que a granulometria do pó de 20MnCr5 (tamanho médio de ~38 µm) não é adequada para se obter uma alta densificação durante a sinterização, indicando este ter uma energia livre de superfície insuficiente para sinterizar ade-quadamente. Com estes resultados, é possível mostrar a viabilidade da produção de um feedstock compósito para FLP-L indireta, através do recobrimento de partículas metálicas com PP. No entanto, quando comparado com o processo direto (densidades relativas de 99,5%), mais pesquisas devem ser realizadas buscando otimizar os materiais utilizados com o intuito de atingir densidades mais elevadas.

Abstract: Indirect additive manufacturing of metals has the potential to produce large batches of metal parts, as well as to take advantage of the benefits found in powder injection molding processes. However, being an unexplored route, it lacks research support focused on indirect laser powder bed fusion (L-PBF). Therefore, this work aimed to develop and produce a suitable feedstock for the indirect process through the coating of DIN 20MnCr5 particles with PP by dissolution-precipitation and use it to manufacture a green part and subsequent sintering it to obtain a metal part. The methodology sought to evaluate the influence of the polymer content (20, 30 and 40 vol%) on the morphology and rheology of the feedstock particles in order to indicate the most appropriate composition for the manufacture of the specimens, based on aspects of morphology and flowability of the powder. Thus, it was possible to identify a more irregular particle, which may indicate an excess of polymer in the coating, for the compositions with 30 and 40 vol% PP. The composition with 20 vol% PP presented more spherical and regular particles, with better flowability. Preliminary fabrication experiments on a L-PBF equipment indicated that the best specimens were obtained using a powder preheat temperature of 70 °C, well under the sintering window indicated by the DSC analysis of pure PP, from 117 to 162°C. This result may indicate that the metallic particles interfered in the PP crystallization during the coating step, thus obtaining a low crystallinity. Samples manufactured in the FLP-L equipment with fiber laser obtained satisfactory results, showing that it is possible to indirectly melt and con-solidate the polymeric binder upon heating the metallic particles by the laser source. The char-acterizations regarding the geometric density revealed that higher energy input in the fabrica-tion resulted in higher values of geometric density of the green samples, being the parameter with 40 W of laser power and 2000 mm/s of scanning speed the one that obtained 50% density of the composite. SEM analyzes revealed that the microstructures of the specimens were influ-enced by the manufacturing parameters, exerting a direct influence on the subsequent sintering step. The samples that had the lowest geometric density after the FLP-L process (green parts) were the ones that had the highest densification after sintering (metallic part), up to 42.15% and relative density of 47%. However, this densification proved to be anisotropic, and the combi-nation of 30 W and 3000 mm/s obtained the highest anisotropy, with contraction of ~6% in the XY axes and 23.66% in the Z axis. The combination with 40 W and 2000 mm/s a showed a more homogeneous contraction in the XYZ axes of approximately 4%. The microstructure of the sintered samples showed that the powder granulometry of 20MnCr5 (average size of ~38 µm) is not adequate to obtain a high densification during sintering process, indicating that it has insufficient surface energy. With these results, it is possible to show the feasibility of producing a composite feedstock for indirect L-PBF, through the coating of metallic particles with PP. However, when compared to the direct route (relative densities of 99.5%), more research should be carried out seeking to optimize the materials used in order to achieve higher densities.