Selection of processing parameters for the laser directed energy deposition process applied to additive manufacturing: a methodological proposal

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2021.A manufatura aditiva metálica através do processo de deposição de energia direcionada a laser (L-DED) é uma tecnologia que vem ganhando espaço frente aos processos de manufatura tradicionais. Uma dentre as principais vantagens dessa tecnologia é a possibilidade de utilização de diversas ligas metálicas e não metálicas, visto a viabilidade de utilização do material de adição no formato de arame e pó metálico, aumentando consideravelmente a gama de ligas disponíveis no mercado. Diferentes ligas requerem diferentes condições de processamento, de modo a se obter os requisitos de qualidade e performance desejados. Este fato aliado ao elevado número de variáveis presente no processo L-DED faz com que a seleção dos parâmetros de processamento se torne um desafio. Muitos autores desenvolveram metodologias para seleção de parâmetros de processamento baseando-se nas características de cordões simples. Entretanto, poucos estenderam seus estudos à modelagem das características de camadas. Deste modo, se faz necessária uma metodologia de obtenção de parâmetros estruturada. Esta dissertação propõe um método de seleção de parâmetros aplicado a manufatura aditiva, utilizando a tecnologia L-DED. Considerando a discrepância de diversos autores na forma de se medir monocamadas, assim como na definição das características mais relevantes, um método padronizado de medição de camadas foi proposto. Uma função desejabilidade foi definida para cada característica de camada, de modo que posteriormente essas funções pudessem ser unidas a fim de possibilitar a comparação de camadas de maneira quantitativa, avaliando a relação entre os parâmetros de processamento e as características finais obtidas. Na última etapa, os resultados obtidos foram aplicados ao conceito de multicamadas presente na manufatura aditiva. Corpos de prova para ensaio mecânico de tração e ensaio mecânico de impacto foram fabricados utilizando o parâmetro de processamento selecionado a fim de correlacionar os resultados obtidos com suas propriedades mecânicas e características microestruturais. Também foram avaliadas as características de microdureza Vickers, porosidade e microestrutura de corpos de prova depositados. Os resultados médios obtidos foram de cerca de 173 HV de microdureza Vickers, 301 MPa de tensão de escoamento para as amostras termicamente tratadas e 381 MPa para as amostras sem tratamento térmico, 594 MPa de tensão máxima admissível, 50% de alongamento, 172 J na melhor condição de energia absorvida em ensaio charpy e densidade de 99,86%. A metodologia proposta se mostrou eficiente em modelar o comportamento do processo, em padronizar o processo de medição das características geométricas de camadas simples e selecionar parâmetros de processamento com base nas características geométricas desejadas.Abstract: The Laser Directed Energy Deposition (L-DED) technology is an additive manufacturing process that allows producing metal parts through the melting of metallic powder using a laser beam as a source of heat. One of the highest challenges when processing new alloys or new powder configurations using L-DED is to link the processing parameters to the characteristics of the layers. It happens because this technology has many processing variables and the interactions between them are very complex to predict. Many authors use simple or full factorial design to understand the behavior of an alloy, which may be fast but probably not the best representative model in most scenarios. This study proposes a method based on multiple regression analysis to obtain processing parameters for L-DED based on the geometrical needs of the user. The regressions use full factorial designs as inputs and exhibit a continuous behavior of the process. The structure is split into five stages, Exploratory, Modeling, Optimization, Multilayer, and Characterization. The experiments are conducted initially with single beads and simple analysis. After the first stage, the second and refined stage of experiments is more complete, with single layers and cross-section analysis. The cross-section characteristics feed a database generating surfaces of response. Using desirability criteria to quantify the needs of the user, an optimized layer is obtained, with its processing parameter related. In the Multilayer Stage, some little adjustment may be done and the overlayer is defined. AISI 316L powder was used to apply the methodology and the model proposed was able to predict most of the characteristics. Considering all the outputs analyzed, the most discrepant was dilution. It was concluded that it was due to the hatch spacing variation. Dilution has a complex and non-linear variation when varying hatch spacing, and it was the major difficulty in the regression setting. The characterization of the samples exhibited results with low standard deviation. It may be seen by the similarity of the tensile curves and the low standard deviation of all the results. That achievement increases the credibility of the method, once the characterization showed a predictable behavior of the parts obtained. The mechanical behavior observed was predominantly ductile and higher than minimal wrought material requirements. It can be concluded that the proposed method generated processing parameters able to generate parts with trustworthy mechanical behavior and higher mechanical properties when compared to wrought components