Análise das distorções e das tensões residuais na manufatura aditiva por deposição a arco via método de elementos finitos

Abstract

A liberdade de design e fabricação rápida proporcionada pela manufatura aditiva (MA) representam um grande avanço na fabricação de componentes metálicos estruturais. Dentre os métodos de MA, Wire Arc Additive Manufacturing-WAAM se destaca por possibilitar a fabricação de peças metálicas de grande escala ou adicionar material em peças pré-existentes com uma alta taxa de deposição. Porém, a grande quantidade de energia e material adicionada durante a deposição metálica por arco elétrico produz tensões residuais e distorções, as quais podem comprometer a integridade estrutural e a funcionalidade da peça. As simulações numéricas pelo método de elementos finitos (MEF) oferecem uma ferramenta de previsão das tensões e distorções que ocorrem no processo de deposição a arco. O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma análise termomecânica via MEF visando simular o processo de fabricação por WAAM tendo como objetivo prever o campo de temperatura, distorções e tensões residuais dos componentes. A análise termomecânica foi realizada pelo acoplamento em série de uma análise transiente térmica com uma análise estrutural estática a partir do campo de temperatura no componente. A análise termomecânica foi desenvolvida para dois componentes diferentes. Uma análise inicial foi desenvolvida para simular a fabricação de uma parede fina, fabricada a partir da deposição de camadas de um cordão linear. A geometria da fonte de calor foi modelada como um elipsoide duplo para este componente. As propriedades térmicas foram consideradas dependentes da temperatura. Outra análise foi desenvolvida para a fabricação do componente Boca de Sino, sendo um componente da indústria de Óleo e Gás em escala reduzida. A análise envolve um maior número de elementos sendo necessárias simplificações com o objetivo de reduzir o custo computacional. A geometria da fonte de calor foi modelada como calor distribuído para este componente. A deposição de material foi modelada através do método de nascimento e morte de elementos. As propriedades térmicas foram consideradas como dependentes da posição da fonte de calor. A modelagem da deposição de material e fonte de calor foi desenvolvida na forma de uma rotina integrada, no software comercial de elementos finitos ANSYS. A validação da análise termomecânica foi realizada por meio da comparação dos resultados obtidos numericamente com testes experimentais da fabricação dos componentes por MA. Durante os testes experimentais foram medidas temperaturas, tanto por câmeras infravermelho como termopares, e foram também medidas distorções na base por meio de paquímetros. Os resultados da análise térmica concordaram de forma bastante satisfatória para os valores de temperatura medidos experimentalmente. Os resultados da análise estrutural concordaram também de forma bastante satisfatória nos valores de distorção na base do componente da parede fina. As simplificações do componente Boca de Sino na análise térmica mostraram um bom compromisso de custo computacional e acurácia. Este método pode ser empregado para otimização estrutural do componente simulando diferentes trajetórias e estratégias de deposição.

Abstract: Additive manufacturing (AM) has revolutionized the production of structural metal components, offering unparalleled design flexibility and rapid manufacturing capabilities. Among various AM techniques, Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) is distinguished by its ability to fabricate large-scale metal parts quickly and efficiently. However, the substantial amount of energy and material added during the electric arc-based metal deposition process introduces residual stresses and distortions, which can potentially undermine the structural integrity and functionality of the manufactured parts. To address these challenges, numerical simulations using the Finite Element Method (FEM) provide a valuable tool for predicting stresses and distortions during the arc deposition process. The primary goal of this study was to develop a thermomechanical analysis through FEM to simulate the WAAM manufacturing process. This analysis aimed to predict critical parameters such as temperature distribution, residual stresses, and distortions in the components. The thermomechanical analysis was conducted by coupling a transient thermal analysis with a static structural analysis, using the temperature field in the component. The thermomechanical analysis was applied to two different components. An initial analysis was devised to simulate the fabrication of a thin-walled structure, created by depositing successive layers of material in a linear pattern. In this case, the heat source geometry was represented as a double ellipsoid, taking into account temperature dependent thermal properties. Another analysis was conducted for a Bell Mouth component, a scaled-down cylindrical part commonly used in the oil and gas industry. This analysis involved a higher number of finite elements, requiring simplifications to optimize computational cost. For this component, the heat source geometry was modeled as distributed heat, with thermal properties varying based on the heat source's position. Material deposition was modeled using the element birth and death method. The modeling of material deposition and the heat source was integrated into a routine using the commercial finite element software ANSYS. The thermomechanical analysis was validated by comparing the numerical results with experimental tests conducted during the AM manufacturing process. Experimental measurements included temperature monitoring by infrared cameras and thermocouples, as well as the evaluation of base distortions using calipers. The results from the thermal analysis closely matched the experimentally measured temperature values, and the structural analysis successfully predicted the distortions at the base of the thin-walled component. The simplifications applied in the Bell Mouth component's thermal analysis struck an effective balance between computational efficiency and accuracy. This method can be employed to optimize the structure of the component by simulating different paths and deposition strategies.