Analysis of cutting parameters' impact on the machinability of additively manufactured porous inconel 718 for use as support structure in the manufacturing of aerospace components

Abstract

Additive manufacturing (AM), especially the Laser Powder Bed Fusion (LPBF), has been gaining increasingly importance in the manufacturing of aerospace and turbomachinery components, given its advantages over conventional subtractive manufacturing, such as design freedom, integration of functions into components, and resource efficiency. In this sense, the application of LPBF has potential for both economic and environmental process optimization. Depending on the complexity of the component's geometry, AM requires the use of support structures, later removed usually by milling. The use of supports with specifically induced porosity is one option that allows improved heat dissipation, processing time, and material consumption compared to usual supports, in block or lattice shape. Widely used in the manufacturing of aeronautical parts due to its thermal and mechanical resistance, the nickel-chromium alloy Inconel 718 has been applied in the manufacturing of components via LPBF. Initial studies, however, have indicated that the machinability of AM porous Inconel 718 is inferior to that of its dense form. To broaden the understanding of this phenomenon, in this work milling trials were conducted on cubic samples of porous Inconel 718 obtained via LPBF, using uncoated tungsten carbide cutting tools with enhanced toughness. The experiments employed a fractional factorial design, wherein the effects of varying the influencing factors on cutting forces and accelerations, flank wear, chip form, and surface finishing were evaluated using analysis of variance (ANOVA). Overall, chipping could be significantly reduced, and for the first time, parameter combinations that exhibited predominantly flank wear up to the investigated feed travel were identified. These results provide cause-effect knowledge and support potential optimizations for the milling process of porous materials, with a view to their application in industry.

A manufatura aditiva (AM), especialmente a fusão em leito de pó (LPBF), tem ganhado relevância na fabricação de componentes aeroespaciais e de turbomáquinas, dadas as vantagens em relação à manufatura subtrativa convencional, como liberdade de design, integração de funções e eficiência no uso de recursos. A aplicação da LPBF possui, assim, potencial de otimização econômica e ambiental do processo. Dependendo da complexidade da geometria do componente, a fabricação por AM exige a utilização de estruturas de suporte, posteriormente removidas geralmente por fresamento. O emprego de suportes com porosidade especificamente induzida possibilita melhoria da dissipação de calor, redução do tempo de processamento e do uso de material comparado aos suportes convencionais, em bloco ou malha. A liga de níquel-cromo Inconel 718, amplamente empregada na manufatura de peças aeronáuticas devido à sua resistência térmica e mecânica, tem sido aplicada na fabricação de componentes por LPBF. Estudos iniciais, porém, mostraram que a usinabilidade do Inconel 718 poroso aditivamente manufaturado é inferior à da sua forma densa. Visando ampliar o entendimento sobre esse fenômeno, neste trabalho testes experimentais de fresamento foram realizados em amostras cúbicas de Inconel 718 poroso, obtidos via LPBF, com ferramentas de corte de carbeto de tungstênio com tenacidade aumentada. Os experimentos empregaram design fatorial fracionário para avaliar, com ajuda da análise de variância (ANOVA), os efeitos da variação dos parâmetros de controle sobre as forças e acelerações no processo, bem como sobre o desenvolvimento do desgaste de ferramenta, formato do cavaco e acabamento da superfície. Em geral, o desgaste por lascamento pôde ser consideravelmente reduzido, e pela primeira vez comparado a estudos anteriores, combinações de parâmetros exibindo predominantemente desgaste de flanco até o percurso de corte estudado foram identificados. Esses resultados fornecem conhecimento de causa-efeito, fundamentam e oferecem possibilidades de otimização para o processo de usinagem de materiais porosos, visando sua aplicação na indústria.