Integrated finite element model of the combined wire arc additive manufacturing process with strain hardening based on analysis of the relationship between deposited material volume and temperature fields

Resumo Técnico: Modelo de Elementos Finitos Integrado de WAAM Combinado e Encruamento por Deformação

Definição do Problema
A Manufatura Aditiva por Arco com Arame (WAAM) oferece vantagens significativas para a produção de componentes metálicos de grande escala devido às altas taxas de deposição e baixos custos de material. No entanto, o processo é limitado pelo ciclagem térmica, que leva à heterogeneidade microestrutural, redução da resistência mecânica e tensões residuais de tração. Embora técnicas de pós-processamento como a Pressão Isostática a Quente (HIP) e o jateamento (shot peening) existam, elas frequentemente carecem de profundidade, são de custo proibitivo ou limitadas ao tratamento de superfície. O Encruamento por Deformação de Onda (WDH) apresenta uma alternativa promissora para o fortalecimento profundo, mas ainda não foi integrado anteriormente ao WAAM. Além disso, os modelos matemáticos existentes para processos híbridos são frequentemente restritos a geometrias de pequena escala, resolvem problemas térmicos e mecânicos separadamente (levando à perda de dados) e carecem de automação para simulações de componentes complexos e de grande escala. Há uma necessidade crítica de uma abordagem integrada que vincule quantitativamente o volume de material depositado, a geometria do componente e os campos de temperatura para otimizar o tempo e os parâmetros da combinação de deposição e endurecimento.

Metodologia
O estudo desenvolveu um modelo de elementos finitos (FEM) integrado utilizando a plataforma multi-física ANSYS para simular os processos combinados de WAAM e WDH. A metodologia envolveu uma solução sequencial e acoplada de problemas térmicos e mecânicos dentro de um ambiente computacional unificado para preservar a integridade dos dados.

• Construção do Modelo: A geometria do componente em crescimento, a ferramenta de endurecimento e a mesa de deposição foram criadas no Ansys SpaceClaim. O modelo utilizou os módulos Transient Thermal e Transient Structural.
• Malha e Discretização: Foi empregada uma malha de tamanho variável, com malhas mais finas para o componente em crescimento e para a ferramenta de endurecimento para garantir a precisão, e malhas mais grossas para a mesa de deposição para reduzir a carga computacional. O material depositado foi dividido em volumes unitários representando um segundo de deposição.
• Simulação do Processo:
  • Térmico: A técnica de Element Birth and Death (Nascimento e Morte de Elementos) simulou a deposição camada por camada. A geração de calor interna foi atribuída aos volumes unitários com base na calibração experimental.
  • Mecânico: O processo WDH foi modelado importando os campos de temperatura para o módulo estrutural. O carregamento de impacto foi definido como perfis de força dependentes do tempo (duração de aproximadamente $10^{-5}$ s).
• Automação: Um script em Python foi desenvolvido para automatizar a sincronização da atribuição de fluxo de calor, ativação de elementos e parâmetros de WDH (tempo de impacto, seleção de camada, razões de sobreposição) para geometrias complexas, superando as limitações da configuração manual para centenas de volumes de deposição.
• Validação: O modelo foi validado utilizando amostras de aço inoxidável 04Kh19N9. Testes termomecânicos de impacto compararam os diâmetros de impressão experimentais com os resultados da simulação. A calibração do fluxo térmico foi realizada comparando os campos de temperatura simulados e experimentais durante a deposição camada por camada.

Principais Resultados

• Precisão do Modelo: O modelo integrado demonstrou alta fidelidade. O desvio máximo entre os diâmetros de impressão calculados e experimentais foi de 9,8% em temperaturas de 20°C a 500°C. O erro máximo na simulação do campo de temperatura permaneceu abaixo de 10% com um fluxo térmico ótimo de 12 J/mm³·s.
• Influência da Geometria: Uma análise comparativa das geometrias prismática e de casca cilíndrica revelou que as cascas cilíndricas reduzem as temperaturas de pico em 12–15% em comparação com as geometrias prismáticas devido à dissipação de calor mais uniforme. As cascas prismáticas atingiram temperaturas críticas de fusão (>1500°C) em todos os volumes testados, enquanto as cascas cilíndricas com volumes maiores mantiveram as temperaturas abaixo do limiar de fusão.
• Otimização do Tempo de Espera Intercamadas: O estudo analisou tempos de espera entre camadas ($T_p$) variando de 5 a 150 segundos. Determinou-se que um aumento uniforme no tempo de espera reduz a eficiência. Em vez disso, propôs-se um aumento não uniforme e em degraus nos tempos de espera para satisfazer duas restrições: manter a temperatura máxima ($T_{max}$) abaixo de 1500°C e a temperatura acumulada do componente ($T_{total}$) abaixo do limiar de recristalização (400°C).
• Ganhos de Eficiência: A otimização dos tempos de espera intercamadas permitiu uma redução no tempo total de construção de 30–50% sem exceder os limites críticos de temperatura. Por exemplo, uma casca cilíndrica com um volume de 30.000 mm³ exigiu um tempo de espera de 90 segundos, resultando em um tempo total de deposição de 1290 segundos.

Significância e Alegações
O artigo alega o desenvolvimento de uma nova abordagem híbrida que, pela primeira vez, integra a modelagem térmica tridimensional de WAAM com efeitos de encruamento mecânico por deformação, contabilizando especificamente a dinâmica de acumulação de calor. A principal significância reside na capacidade de prever regimes térmicos e minimizar riscos de defeitos na produção de componentes de grande escala. Os autores afirmam que o algoritmo desenvolvido para controle adaptativo permite a compatibilidade em tempo real dos processos de deposição e endurecimento. Ao estabelecer uma relação quantitativa entre o volume de material depositado, a geometria e os campos de temperatura, o modelo permite a otimização dos parâmetros do processo para garantir a formação de uma região endurecida otimamente heterogênea, melhorando assim o desempenho operacional, como a resistência à fadiga de contato e a resistência cíclica. O estudo conclui que esta abordagem de modelagem integrada é essencial para a implementação industrial eficaz de técnicas de manufatura aditiva híbrida para grandes peças metálicas.