Additive manufacturing for steel construction: design, realization and characterization

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA revolução digital está a ganhar espaço em várias indústrias. Mesmo na era da internet e dos robôs, dispositivos sofisticados e simulação em tempo real, o sector da construção continua altamente dependente do trabalho manual. O qual é a principal fonte de atrasos, falta de qualidade e acidentes de trabalho. O desenvolvimento rápido em áreas tecnológicas tais como robôs autónomos, computadores de alta perfomance, sensores, inteligência artificial, gestão de dados e internet das coisas, constitui um enorme potencial para muitas aplicações na indústria da construção. O fabrico aditivo é uma solução interessante, especialmente quando combinada com um sistema subtrativo, pois pode ser aplicada a geometrias complexas e fornece grande flexibilidade na localização e produção. No entanto, as tecnologias existentes, aplicáveis à escala do problema, conduzem a um elevado nível de imperfeições (tensões residuais e distorções) no produto final; as propriedades do material não são suficientemente bem caracterizadas e o comportamento estrutural ou as peças impressas em 3D não estão ainda bem estudadas. Portanto, esta dissertação de mestrado tem como objetivo explorar a aplicação do fabrico aditivo para a produção de elementos metálicos produzidos por fabrico aditivo para a utilização na indústria da construção.Para tanto, realizou-se uma análise numérica e experimental de uma componente produzida através do fabrico aditivo, percorrendo as fases de dimensionamento, fabrico e validação estrutural da peça. O processo utilizado é o cold metal transfer (CMT), que introduz menos calor ao processo de fabrico ao se comparar com os processos tradicionais, reduzindo assim a introdução de tensões residuais e distorções.The digital revolution is gaining ground in several industries. Even in the age of the internet and robots, sophisticated devices and real-time simulation, the construction industry remains highly dependent on manual work. Which is the main source of delays, lack of quality and work accidents. The rapid development in technological areas such as autonomous robots, high-performance computers, sensors, artificial intelligence, data management and the internet of things, constitutes a huge potential for many applications in the construction industry. Additive manufacturing is an interesting solution, especially when combined with a subtractive system, as it can be applied to complex geometries and offers great flexibility in location and production. However, according to existing technologies, applicable to the scale of the problem, they lead to a high level of imperfections (residual stresses and distortions) in the final product; as material properties are not sufficiently well characterized and the structural behavior or as continuous parts in 3D are not yet well studied. Therefore, this master's thesis aims to explore the application of additive manufacturing for the production of metallic elements produced by additive manufacturing for use in the construction industry.Therefore, a numerical and experimental analysis of a component produced through additive manufacturing was carried out, covering the phases of dimensioning, manufacturing and structural validation of the part. The welding process used is cold metal transfer (CMT), which introduces less heat into the manufacturing process compared to traditional processes, thus reducing the introduction of residual stresses and distortions