Fabricação de gradientes funcionais entre aço ferramenta e cobre por fusão seletiva a laser usando um feixe de laser pulsado Nd:YAG de alta potência para aplicações em moldes de injeção: Fabrication of functional gradients between tool steel and copper parts by selective laser fusion using a high power Nd:YAG pulsed laser beam to injection moulds applications

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaO desenvolvimento de novos produtos envolve novos materiais, processos e metodologias de projetos. Com relação a novos materiais, a otimização de forma e função num único componente pode ser obtida por Functionally Graded Materials (FGM) ou materiais com gradientes funcionais. Assim como em materiais compósitos, o emprego de FGMs explora obter com o uso de dois ou mais materiais, funções diferenciadas que produzam um componente final otimizado. Por exemplo: materiais rígidos mas leves ou duros e condutores de calor. No entanto, genericamente, FGMs possuem como diferença uma gradual transição entre cada um dos elementos que formam o componente, em oposição a transição bem definida entre os compósitos. Apesar das potenciais vantagens e aplicações, uma das principais limitações dos FGMs é a baixa complexidade obtenível pelos processos de fabricação existentes. Nos últimos 10 anos, pesquisas têm procurado obter FGMs a partir de tecnologias de fabricação por adição de camadas, também conhecidas por prototipagem rápida. Devido ao potencial de produzir virtualmente objetos de forma livre em qualquer tipo de material, acredita-se que estas tecnologias possam ser usadas para obter componentes FGM com geometrias complexas. Inserido neste contexto, a fabricação de moldes para injeção poderia ser beneficiada pela adoção da fabricação de geometrias complexas e inserção de FGMs. Um molde poderia ter regiões enriquecidas com carboneto de tungstênio para aumentar resistência ao desgaste. Alternativamente, regiões ricas em material de maior condutividade térmica proporcionariam extração diferencial de calor para homogeneizar a solidificação da peça injetada. Assim, moldes de alta performance poderiam ser obtidos, produzindo em ciclos menores peças com maior qualidade. Neste trabalho, a fabricação de FGM entre aço ferramenta H13 e cobre para obtenção de moldes através do processo de fusão seletiva a laser foi estudada. Para a obtenção de corpos-de-prova, um laser pulsado de Nd:YAG foi utilizado para fundir pós de H13 e cobre, camada por camada. Parâmetros de construção e de processamento do laser foram pesquisados por meios estatísticos a fim de obter composições de materiais entre H13 e cobre com o menor quantidade de defeitos. As propriedades das composições, densidade, microdureza, módulo de elasticidade, coeficiente de expansão térmica linear e condutividade térmica e do gradiente foram testadas. A adição de cobre ao H13 ocasionou a alteração das propriedades do material. No entanto, os defeitos resultantes da solidificação de H13 mais cobre indicaram que o processo precisa ser melhorado. Assim, propriedades mecânicas e térmicas mais condizentes para as aplicações desejadas poderão ser obtidas. Um inserto FGM também foi utilizado na moldagem de polipropileno para verificar o efeito da adição do Cu ao material base H13. Os resultados indicaram que a adição de cobre alterou a transferência de calor no molde. Uma geometria de maior complexidade também foi produzida, provando que é possível obter componentes para outras aplicações e moldes complexos. The development of new products involves new materials, processes and design methodologies. Concerning new materials, the optimization of form and function into a single component is explored by the use of Functionally Graded Materials (FGMs). Similar to composites, in FGMs two or more materials are used to optimise the properties of each functional element that could produce an optimized final component. As examples: materials that are tough but light or hard but thermally conductive. Nevertheless, generically speaking, in FGMs materials are subjected to a gradual transition between each one of the elements that form the component, in opposition to the well defined transition in composites. Despite the potential advantages and applications, one of the main limitations of FGMs is the low complexity obtained by actual manufacturing processes. In the last 10 years, researchers had been attempted to manufacture FGMs from layer additive manufacturing technologies, also known as Rapid Prototyping (RP). As these technologies had the potential to virtually build free-form objects in any kind of material, it is believable that they might be used to obtain FGMs components with complex shapes such as graded moulds with conformal cooling channels. In this context, highly efficient injection moulds integrated with "smart" cooling channels can be produced by implementing additive layer manufacturing and FGMs. A mould could have richer regions of tungsten carbide to increase wear resistance. Alternatively, richer regions on material with higher thermal conductivity might extract heat differentially to homogenously solidify the injected part. Consequently, high performance moulds could be obtained, producing in shorter cycles higher quality parts. In this work, the manufacturing of FGM between H13 tool steel and copper (Cu) to obtain moulds by selective laser fusion was the subject of study. This work was carried out to optimise process parameters using high power pulsed Nd:YAG laser. H13 and Cu powders were used. Building and laser processing parameters were optimized using statistical analysis to process various material compositions of H13 and Cu in order to minimise defects such as pores and cracks. The Cu addition to the H13 changed the properties of the material. The material compositions properties, density, microhardness, elastic modulus, linear thermal expansion coefficient and thermal conductivity and of the gradient were tested. Nevertheless, the defects from the solidification of H13 plus Cu indicated that the process must be improved. This improvement, would allow to obtain mechanical and thermal properties more appropriate to the desired applications. X-graded FGM inserts also were fabricated and used in the injection moulding of polypropylene to verify the effect of Cu addition to the H13 base material. The results indicated that the addition of Cu affected the heat transfer in the mould. A complex geometry also had been produced, proving that it is possible to obtain parts for other applications and complex moulds