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Influence of Emissivity Calibration on Thermal History and Process–Property Relationships in Arc-Based Directed Energy Deposition

Este estudo demonstra que a implementação da calibração de emissividade in-situ para deposição de energia direcionada baseada em arco melhora significativamente a precisão da medição de temperatura, permitindo a correlação precisa dos históricos térmicos entre passes com as propriedades mecânicas e revelando que o acúmulo excessivo de calor decorrente de tempos curtos entre passes degrada a resistência à tração última de paredes de aço carbono ER70S-6.

Autores originais: Joel Sá, Carlos Zhu, Kaike Monteiro, Fernando Lopes, Cândida Malça, David Andrade

Publicado 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autores originais: Joel Sá, Carlos Zhu, Kaike Monteiro, Fernando Lopes, Cândida Malça, David Andrade

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Construir grandes peças metálicas camada por camada é um processo que transformou a forma como os engenheiros pensam sobre a manufatura. Conhecida como deposição de energia direcionada baseada em arco, esta técnica utiliza um braço robótico para derreter um fio com uma tocha de soldagem, depositando-o camada por camada para formar uma estrutura sólida. É um método poderoso para criar componentes de médio a grande porte de forma rápida e barata, mas carrega um risco oculto: o calor. À medida que cada nova camada é adicionada, o metal abaixo retém o calor da passagem anterior. Se este calor não for gerido cuidadosamente, ele acumula-se, alterando a forma como o metal arrefece e solidifica. Este histórico térmico dita a estrutura interna do material, o que, por sua vez, determina se a peça final será forte o suficiente para sustentar uma ponte ou fraca o suficiente para falhar sob tensão. Para controlar isto, os fabricantes precisam de saber a temperatura exata do metal enquanto este arrefece. Frequentemente utilizam câmaras de infravermelhos, que veem o calor como luz, para observar o processo em tempo real. No entanto, estas câmaras dependem de uma configuração chamada emissividade — uma medida de quão bem uma superfície irradia calor — que pode ser difícil de determinar com precisão num metal quente e rugoso. Se esta configuração for adivinhada incorretamente, a leitura da temperatura pode estar drasticamente errada, levando a decisões pobres sobre como construir a peça.

Uma equipa de investigadores da Universidade de Coimbra e do Politécnico de Coimbra propôs-se resolver este problema de adivinhação. Eles queriam saber o quanto um erro de estimativa sobre a emissividade distorceria a imagem do histórico térmico do metal e, em última análise, como essa distorção afetaria a compreensão da resistência da peça. Para descobrir, construíram três paredes idênticas de aço de carbono utilizando um sistema de soldadura robótica. Aplicaram então três regras diferentes para o tempo de espera entre a adição das camadas. Duas das paredes foram construídas com um limite de temperatura rigoroso: o robô faria uma pausa e esperaria até que o metal arrefecesse para 150 graus Celsius ou 250 graus Celsius antes de adicionar a próxima camada. A terceira parede foi construída com um limite de tempo rigoroso: o robô esperaria exatamente 30 segundos entre camadas, independentemente de quão quente o metal estivesse realmente.

Os investigadores observaram o crescimento destas paredes através de uma câmara de infravermelhos, mas também inseriram pequenos sensores de temperatura diretamente no metal para obter a verdadeira verdade de referência (ground truth). Ao comparar a visão da câmara com as leituras dos sensores, descobriram que a capacidade do metal de irradiar calor não era um número fixo. Em vez disso, mudava à medida que o metal aquecia ou arrefecia. Descobriram que utilizar uma única estimativa constante para esta configuração poderia levar a erros massivos na medição da temperatura, especialmente quando o metal estava muito quente. Ao criarem um modelo que ajustava a configuração com base na temperatura atual, reduziram o erro nas suas medições para menos de quatro por cento. Esta calibração permitiu-lhes ver a verdadeira história térmica de cada parede.

Os resultados revelaram uma diferença gritante entre as estratégias. As paredes construídas com limites de temperatura arrefeceram num ritmo constante e previsível. O metal teve tempo suficiente para libertar o seu calor, resultando numa estrutura interna fina e uniforme. Estas paredes apresentaram um tempo de arrefecimento específico, medido como a duração que levou para descer de 800 para 500 graus, de cerca de 22 a 27 segundos. Em contraste, a parede construída com o temporizador de 30 segundos sofreu de um grave acumulo de calor. Como o robô não esperou para que o metal arrefecesse, a temperatura continuou a subir, estabilizando finalmente num escaldante valor de 730 graus Celsius. O metal nunca teve a oportunidade de arrefecer adequadamente, e os investigadores nem sequer conseguiram medir o tempo de arrefecimento padrão para as camadas superiores porque o metal nunca desceu abaixo dos 500 graus.

Esta diferença no histórico térmico teve um impacto direto e mensurável na resistência do metal. As duas paredes construídas com controlo de temperatura revelaram-se notavelmente semelhantes e fortes, com uma resistência máxima à tração de cerca de 515 megapascais. Os seus grãos internos eram pequenos e densamente compactados. A parede construída com o temporizador de 30 segundos, porém, era significativamente mais fraca, com uma resistência máxima de apenas 470 megapascais. A sua estrutura interna tornou-se grosseira e irregular, com grãos grandes que se formaram porque o metal permaneceu quente durante demasiado tempo. Embora esta parede mais fraca fosse ligeiramente mais elástica, carecia da robustez da resistência das outras. O estudo concluiu que o temporizador de 30 segundos era uma estratégia má para este material, pois levava a uma perda de qualidade que uma regra simples baseada no tempo não conseguia prevenir.

Talvez a descoberta mais crítica tenha sido sobre o perigo dos dados errados. Os investigadores demonstraram que, se um engenheiro tivesse utilizado uma estimativa padrão e não calibrada para a configuração de radiação de calor, teria calculado um histórico térmico completamente diferente para a parede fraca. Poderiam ter pensado que o metal estava a arrefecer a uma taxa normal quando, na verdade, estava a permanecer a uma temperatura perigosa e elevada. Este erro teria levado a acreditar que as propriedades do metal eram normais, potencialmente causando a aprovação de uma peça estruturalmente insegura. O trabalho demonstra que, para que este tipo de manufatura seja fiável, a câmara de infravermelhos deve ser cuidadosamente sintonizada com a natureza mutável do metal quente. Sem esta calibração precisa, a ligação entre o calor que a máquina vê e a resistência que a peça possui permanece quebrada, deixando os engenheiros a adivinhar sobre a segurança das estruturas que constroem.

Resumo Técnico: Influência da Calibração de Emissividade na História Térmica e nas Relações Processo–Propriedade em Deposição de Energia Direcionada Baseada em Arco

Definição do Problema
A Deposição de Energia Direcionada utilizando fontes de calor baseadas em arco (DED-Arc), ou Manufatura Aditiva por Arco de Solda (WAAM), é uma rota viável para a produção de componentes metálicos de grande escala. No entanto, o processo é altamente sensível às condições térmicas, particularmente à temperatura entre passes, que governa as taxas de resfriamento, a evolução microestrutural e as propriedades mecânicas finais. Embora a termografia infravermelha seja cada vez mais utilizada para o monitoramento térmico não contatante, sua precisão quantitativa depende fortemente da emissividade superficial do material. No aço DED-Arc, a emissividade é frequentemente assumida como um valor constante, apesar das evidências de que ela varia com a temperatura, o estado de oxidação e a rugosidade da superfície. Este estudo aborda a lacuna de conhecimento sobre como tais suposições de emissividade propagam erros em descritores térmicos críticos (como os tempos de resfriamento $\Delta t_{8/5}$ e temperaturas entre passes) e, consequentemente, enviesam a interpretação das relações processo–propriedade.

Metodologia
A pesquisa utilizou um sistema robótico de DED-Arc para depositar paredes de aço carbono ER70S-6 sobre substratos de S460ML. Três estratégias distintas de controle de temperatura entre passes foram investigadas:

W150: Temperatura entre passes controlada em um máximo de 150 °C.
W250: Temperatura entre passes controlada em um máximo de 250 °C.
W30s: Um tempo de espera entre passes fixo de 30 segundos, independentemente do estado térmico.

O monitoramento térmico foi realizado por meio de uma combinação de termografia infravermelha sem contato (FLIR A655sc) e termopares do Tipo-K embutidos para contato. Os termopares serviram como verdade de campo (ground truth) para uma calibração de emissividade in-situ. Os autores compararam os dados termográficos com as leituras dos termopares para identificar valores de emissividade constante ideais e para modelar a dependência da emissividade em relação à temperatura. Uma regressão polinomial de segunda ordem foi desenvolvida para descrever a emissividade como uma função da temperatura.

As histórias térmicas reconstruídas foram utilizadas para calcular parâmetros de resfriamento, especificamente o intervalo $\Delta t_{8/5}$ (tempo para resfriar de 800 °C a 500 °C). Após a deposição, as paredes foram submetidas à caracterização microestrutural (microscopia óptica e análise de tamanho de grão), testes de microdureza e ensaios de tração uniaxial (com Correlação de Imagem Digital para medição de deformação) para estabelecer correlações entre a história térmica e o desempenho mecânico.

Principais Resultados

Calibração de Emissividade: O estudo confirmou que a emissividade não é constante, mas varia com a temperatura. Um modelo dependente da temperatura ( $\varepsilon(T)$ ) reduziu o erro de medição de temperatura absoluta média para 3,73%, superando as suposições de emissividade constante (que geraram erros entre 4,66% e 5,18%). A análise de sensibilidade revelou que o uso de valores de baixa emissividade não calibrados (ex: $\varepsilon = 0,4$ ) poderia levar a superestimativas massivas de parâmetros térmicos, com erros atingindo até 131% nos cálculos de $\Delta t_{8/5}$ .
História Térmica: As estratégias de controle de temperatura (W150 e W250) alcançaram ciclos térmicos estáveis e quase estacionários, com valores médios de $\Delta t_{8/5}$ de 22,1 s e 26,6 s, respectivamente. Em contraste, a estratégia de tempo fixo (W30s) resultou em severa acumulação de calor, elevando as temperaturas entre passes para aproximadamente 730 °C. Essa acumulação impediu que o material resfriasse abaixo de 500 °C após as camadas iniciais, tornando o cálculo de $\Delta t_{8/5}$ impossível para a maior parte da construção.
Microestrutura e Dureza: Os ciclos térmicos estáveis de W150 e W250 produziram microestruturas ferríticas finas e homogêneas, com tamanhos médios de grão de 7,8–8,4 e valores de microdureza de ~156–159 HV0,5. A condição W30s, caracterizada pela exposição prolongada a altas temperaturas, resultou em um aumento significativo do tamanho de grão (tamanho médio ~12,6) e redução da microdureza (148 HV0,5).
Propriedades Mecânicas: O controle térmico superior de W150 e W250 proporcionou um desempenho mecânico superior, com resistências à tração máxima (UTS) de aproximadamente 515 MPa e limites de escoamento ( $f_y$ ) em torno de 400 MPa. A parede W30s exibiu uma redução acentuada na resistência (UTS ~470 MPa, $f_y$ ~334 MPa), mas com ductilidade ligeiramente superior. Todas as condições atenderam aos requisitos de ductilidade para aço estrutural (EN 1993-1-1), embora a condição W30s tenha apresentado maior dispersão no limite de escoamento devido à heterogeneidade térmica.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a calibração precisa da emissividade não é meramente um refinamento de medição, mas um pré-requisito para estabelecer relações processo–propriedade confiáveis na DED-Arc. Os autores demonstram que a termografia não calibrada pode distorcer artificialmente as histórias térmicas, levando a interpretações incorretas sobre o porquê de certas propriedades mecânicas terem sido alcançadas. Por exemplo, uma suposição incorreta de emissividade poderia sugerir falsamente que um componente não atendeu aos padrões estruturais (ex: requisitos de escoamento de S355) devido ao mau gerenciamento térmico, quando a história térmica real era diferente.

O estudo conclui que o controle de temperatura entre passes é uma estratégia mais robusta do que a deposição por tempo fixo para garantir condições térmicas consistentes e desempenho mecânico em aço carbono WAAM. Além disso, valida o uso da termografia infravermelha para o monitoramento de processo quantitativo em manufatura aditiva baseada em arco, desde que seja empregada uma calibração de emissividade dinâmica e dependente da temperatura para minimizar a incerteza de medição e garantir a fidelidade dos descritores térmicos.

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