Introducing Friction Stir Spot Additive Manufacturing process for producing aluminum parts

Resumo Técnico: Introdução da Manufatura Aditiva por Ponto de Fricção e Agitação (FSSAM) para Peças de Alumínio

Definição do Problema
Embora a manufatura aditiva (AM) tenha revolucionado a produção de peças metálicas, os métodos tradicionais de camadas frequentemente dependem de equipamentos caros (lasers, pós) ou técnicas de união complexas. Embora a Manufatura Aditiva por Fricção e Agitação (FSAM) ofereça uma alternativa de estado sólido e de baixo custo para metais como o alumínio, ela enfrenta limitações significativas na fabricação de peças com geometrias internas intrincadas e canais complexos. O caminho contínuo da ferramenta exigido pela FSAM padrão restringe sua capacidade de criar balanços (overhangs) ou vazios internos sem estruturas de suporte. Esta pesquisa aborda a necessidade de um método aditivo mais versátil e de baixo custo, capaz de produzir componentes de alumínio complexos mantendo a integridade estrutural.

Metodologia
O estudo introduz a Manufatura Aditiva por Ponto de Fricção e Agitação (FSSAM), uma variação da FSAM que utiliza a Soldagem por Ponto de Fricção e Agitação (FSSW) para unir camadas discretas. A metodologia envolveu tanto a fabricação experimental quanto a simulação numérica:

• Design e Fabricação: Uma peça complexa de 80 mm de diâmetro com geometrias internas (impossível de usinar tradicionalmente) foi projetada. Para facilitar o alinhamento das camadas, dois furos de 8 mm foram incorporados para parafusagem. O processo envolveu o corte a laser de chapas de alumínio em perfis de camada específicos, o empilhamento e a união de camadas adjacentes por meio de pontos de solda. A localização dos pontos de solda foi alternada entre camadas sucessivas (Camada n vs. Camada n-1) para garantir a continuidade.
• Parâmetros do Processo: Uma ferramenta de pino (baseada no design de Bakhshian) foi utilizada em uma furadeira de coluna. Uma velocidade de rotação de 1500 rpm foi selecionada como ideal, equilibrando a geração de calor para a união contra o risco de crescimento excessivo de grãos e redução de resistência.
• Testes Experimentais: Para avaliar o desempenho mecânico, vigas retangulares (120 × 30 × 1 mm) foram fabricadas com 4 camadas. Três configurações foram testadas com 2, 4 e 6 pontos de solda por camada. Essas amostras foram submetidas a testes de flexão em três pontos (vão: 120 mm, taxa: 2 mm/min) para medir o comportamento força-deslocamento.
• Simulação Numérica: A Modelagem por Elementos Finitos (FEM) foi realizada para prever o comportamento mecânico. Devido à simetria, um modelo de um quarto das vigas foi analisado utilizando elementos S4R e S3. O refinamento da malha foi aplicado próximo aos pontos de solda para considerar as concentrações de tensão. A simulação visou determinar a força necessária para atingir deslocamentos específicos e calcular o coeficiente de rigidez equivalente.

Principais Contribuições

• Inovação de Processo: O artigo propõe a FSSAM como uma solução viável para a fabricação de peças de alumínio com geometrias internas complexas que são inalcançáveis via FSAM padrão ou usinagem tradicional.
• Diretrizes de Design: Estabelece uma restrição de design crítica para a FSSAM: os projetistas devem garantir que existam "áreas sólidas" (aproximadamente o raio do ombro da ferramenta) em cada seção transversal da peça para acomodar os pontos de soldagem por ponto.
• Análise Paramétrica: O estudo quantifica a relação entre o número de pontos de solda por camada e a resistência à flexão resultante, fornecendo uma abordagem baseada em dados para otimizar o processo.

Resultos

• Desempenho Mecânico: Os resultados experimentais e numéricos demonstraram que o aumento do número de pontos de solda melhora significativamente o comportamento mecânico das partes aditivas, aproximando-as do desempenho de uma viga sólida (monolítica).
• Rigidez e Resistência: Os diagramas de força-deslocamento mostraram que, enquanto o aumento do número de camadas não alterou drasticamente o comportamento da viga, o aumento da densidade de pontos de solda o fez. Especificamente, uma viga fabricada com 8 pontos de solda alcançou aproximadamente 80% da resistência à flexão e da rigidez de uma peça de alumínio sólida ideal.
• Correlação de Simulação: Os modelos de elementos finitos predisseram com precisão as curvas força-deslocamento experimentais, validando o uso de ferramentas numéricas para otimizar a distribuição dos pontos de solda em designs futuros.
• Limitações Observadas: O uso de uma furadeira de coluna operada manualmente resultou em uma aplicação inconsistente de pressão em certos pontos, levando a uma união insuficiente em algumas áreas.

Significância e Alegações
Os autores alegam que a FSSAM representa uma opção de baixo custo para a produção de peças de alumínio, particularmente aquelas com complexidades geométricas. O estudo conclui que o método pode superar as limitações da FSAM tradicional em relação à complexidade de forma. No entanto, os autores mantêm um tom modesto em relação às limitações atuais, observando que a aplicação manual de pressão em sua configuração foi uma fraqueza. Eles sugerem que a futura adoção industrial deve utilizar dispositivos controlados por CNC precisos para garantir consistência na pressão e na qualidade da união. Além disso, propõem que pesquisas futuras possam explorar a Soldagem por Ponto de Fricção e Agitação de Refil (RFSSW) para eliminar os furos de solda, melhorando a qualidade da união e reduzindo as concentrações de tensão. O artigo posiciona a FSSAM não como um substituto para todos os métodos de AM, mas como uma solução econômica específica para componentes de alumínio onde o custo e a complexidade geométrica são os principais fatores determinantes.