Um novo “gêmeo digital” do laser

Jun 14, 2023

Pesquisadores desenvolvem um sistema de análise de processamento numérico que determina automaticamente as condições ideais de conformação

Universidade de Ciências de Tóquio

imagem: A equipe de pesquisa demonstrou que o LDED é superior a outros métodos de reparo em termos de resistência interfacial e propriedades mecânicas.Veja mais

Crédito: Masayuki Arai da Tokyo University of Science

Peças mecânicas em máquinas industriais e estruturas que desenvolvem afinamento ou rachaduras precisam ser substituídas por novas. Nos últimos anos, foram consideradas tentativas de repará-los, a fim de melhorar a sustentabilidade industrial. Portanto, a tecnologia de reparo de máquinas tem sido um tema importante de pesquisa e desenvolvimento. A fabricação convencional de metal impressa em 3D usa a superfície de um leito de pó colocado mecanicamente que é irradiado com um laser ou feixe de elétrons para derreter as partículas de metal e fundi-las. No entanto, este método requer equipamentos de fabricação volumosos. Além disso, uma grande quantidade de pó de metal é descartada após o processo de fabricação. No entanto, a deposição de energia direcionada a laser (LDED) é uma tecnologia promissora que supera os desafios. Nesta técnica, pós de metal são depositados no foco de um feixe de laser, depois derretidos e empilhados.

As vantagens do LDED não estão apenas relacionadas à compacidade do equipamento, mas também à redução significativa de resíduos de pó metálico. Além disso, esta tecnologia permite a fabricação in-situ de pó metálico em formato 3D na superfície de um substrato. Isso significa que também pode ser usado para reparar máquinas feitas de metal!

Um grupo de pesquisadores, que inclui o Professor Masayuki Arai do Departamento de Engenharia Mecânica, Faculdade de Engenharia da Tokyo University of Science (TUS), Japão, o Sr. Toshikazu Muramatsu, também do TUS, e o Dr. Kiyohiro Ito do Departamento de Mecânica e Engenharia Elétrica, Suwa University of Science, Japão, em colaboração com o Laboratório de Desenvolvimento de Tecnologia de Pulverização Térmica da TOCALO Co. Ltd., Japão, desenvolveu uma técnica de reparo usando LDED. "Usando nossa técnica, a forma da superfície de uma estrutura de metal pode ser completamente restaurada no local, e o descarte do pó de metal necessário para o reparo pode ser significativamente reduzido. a indústria tinha que ser determinada por um processo de tentativa e erro", explica o Prof. Arai, que esteve ativamente envolvido na pesquisa de mecânica de danos e tecnologia de reparo.

Em um artigo recente publicado no Journal of Thermal Spray Technology em 23 de novembro de 2022, os pesquisadores criaram um modelo matemático de LDED que gera automaticamente uma região de deposição de pó de metal usando um algoritmo de morte-nascimento, eliminando as suposições necessárias para otimizar a produção. "O modelo de radiação térmica-condução térmica e o modelo constitutivo viscoplástico-termoplástico são aplicados aos elementos empilhados que constituem a região depositada, de modo que uma ampla gama de mudanças de estado, desde a fusão até a solidificação da camada depositada de pó metálico, pode ser fielmente simulada Ao incorporar esses modelos em um programa de análise de elementos finitos, desenvolvemos um novo sistema de análise de usinagem que nunca foi usado antes", observa o Prof. Arai. A equipe simulou numericamente o processo de restauração e, assim, previu as condições do processo de formação, distribuição de temperatura, estado de deformação e distribuição de tensão residual com antecedência e verificou as descobertas por meio de experimentos. Eles descobriram que as tensões residuais na camada depositada eram muito menores do que aquelas obtidas por meio de processos de reparo convencionais.

Este novo sistema de análise numérica de usinagem 3D é um gêmeo digital da tecnologia de usinagem de núcleo existente baseada na fusão de metal na área a ser reparada. O método de análise numérica desenvolvido aqui poderá ser aplicado em diversas aplicações industriais no futuro, como planejar o reparo de afinamento por cavitação na superfície de uma pá usada na bomba de circulação da usina e desenvolver um método para reduzir a deformação residual após o reparo do afinamento de a ponta da pá do rotor de uma turbina a gás. Juntos, os recursos de automação e previsão avançada das condições do processo pelo sistema de análise de usinagem numérica tornam a fabricação de metal em camadas de metal 3D pela tecnologia de reparo LDED mais eficaz, com gerenciamento eficiente de recursos para melhorar sua sustentabilidade.