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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
Av. Prof. Almeida Prado, 532 | Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 | CEP 01064-970
São Paulo | SP | Brasil | CEP 05508-901 Tel 11 3767 4374/4000 | Fax 11 3767-4099
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)
LPM: linhas de atuação
HSS
(10-18% MC + M2C + M7C3)
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
LPM: linhas de atuação
LPM: linhas de atuação
Esfeirodização do pó
Metalurgia do pó Desenvolvimento de pós metálicos (Manufatura Aditiva)
Atomização a gás inerte, HDH, moagem
[
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 no IPT
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
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Manufatura aditiva no IPT
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
Obtenção de próteses ortopédicas de ligas Nb-47Ti e Ti-13Nb-13Zr por 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
Obtenção de próteses ortopédicas de ligas Nb-47Ti e Ti-13Nb-13Zr por fusão seletiva a laser
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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Manufatura aditiva no IPT
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)
Filtros Filtros Emulsificadores e
misturadores Emulsificadores e
misturadores
Empresa/Cliente interessado
Desempenho (resfriamento,
mistura, combustão,
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)
Filtros Filtros Emulsificadores e
misturadores Emulsificadores e
misturadores
Empresa/Cliente interessado
Desempenho (resfriamento,
mistura, combustão,
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......
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