Desenvolvimento de material compósito para manufatura aditiva indireta do aço din 20MnCr5 e sua aplicação na técnica de fusão em leito de pó a laser

Abstract

A manufatura aditiva surgiu como uma técnica disruptiva de fabricação, pois diferente das técnicas convencionais, ela usa um princípio de fabricação a partir da adição de camadas de material. Entre as várias técnicas de manufatura aditiva, aquela que mais se destaca na produção de componentes metálicos é a fusão em leito de pó. Esse processo pode ser realizado de forma direta, onde uma fonte irradia energia suficiente para causar fusão localizada das partículas metálicas dispostas em um leito de pó. E de forma indireta, onde utiliza-se energia suficiente para fundir somente um ligante polimérico que funciona como um aglutinante das partículas metálicas. Posteriormente o ligante polimérico é removido e o pó metálico é sinterizado para obter uma peça densa e completamente metálica. Nesse trabalho, foram produzidos grânulos compósitos metal/polímero utilizando pó de aço DIN 20MnCr5 e os polímeros polipropileno (PP), polipropileno funcionalizado com anidrido maleico (PP-AM) e polivinil butiral (PVB). Três composições diferente de material foram avaliadas, variando o volume de ligante utilizado e o teor do compatibilizante (PP-AM). Foi avaliado a utilização dos aditivos de escoabilidade dióxido silício (SiO2) e óxido de ferro (Fe2O3) em diferentes percentuais de massa. Os materiais produzidos foram aplicados ao processo de FLP-L indireto. Os melhores resultados de escoabilidade e densidade aparente foram obtidos utilizando 1% em massa do aditivo Fe2O3. Os melhores resultados de escoabilidade, densidade aparente, distribuição de ligantes na partícula compósita e densificação das amostras fabricadas, foram obtidos para mistura com maior teor de compatibilizante e ligantes. Foi realizado esferoidização do material em Reator Downer. A esferoidização em Reator Downer aumentou a circularidade dos grânulos do material compósito e aumentou a densidade aparente do material em 0,2 g/cm³. Entretanto não gerou significativo aumento da densidade das amostras à verde. Maiores densidades de energia, de forma geral, geraram peças com maior densidade à verde e maior distorção das dimensões nominais das peças. A remoção dos ligantes foi executada em duas etapas. Na extração em solvente o PVB foi removido utilizando banho de álcool etílico por 24 h. A extração térmica foi realizada utilizando forno de extração e sinterização PADS em ciclo térmico único de extração e sinterização. A temperatura de extração térmica foi entre 200 e 450°C, realizada em atmosfera de hidrogênio. A sinterização foi realizada a 1300°C por 1 h utilizando atmosfera de hidrogênio e argônio. Menores densidades de energia na fabricação facilitaram a remoção de ligantes. As amostras fabricadas utilizando o material esferoidizado em Reator Downer também não resultaram em amostras com maior densidade após a sinterização. As retrações nos eixos X e Y são proporcionais e homogêneas entre si. A retração em X e Y variou entre 14% e 16%. A retração em Z foi superior aos outros eixos e variou entre 17 e 24%. As densidades das amostras sinterizadas, de forma geral, são proporcionais ao aumento de densidade de energia durante a fabricação. As peças metálicas fabricadas utilizando densidade de energia de 300 kJ/m² atingiram densidade média de 48,06% relativa à densidade do aço DIN 20MnCr5, após a sinterização.

Abstract: Additive manufacturing emerged as a disruptive manufacturing technique, as unlike conventional ones, it uses a manufacturing principle based on the addition of material layer by layer. Among the various additive manufacturing techniques, the one that stands out in the production of metallic components is powder bed fusion (PBF). This process can be carried out directly, where a source radiates enough energy to cause localized fusion of metallic particles arranged in a powder bed. And indirectly, where enough energy is used to melt a polymeric material that functions as a binder for the metallic particles. Subsequently, the de part is debinded and the metallic powder is sintered to obtain a dense, completely metallic part. In this work, metal/polymer composite particles were produced using DIN 20MnCr5 steel powder and the polymers polypropylene (PP), maleic anhydride grafted polypropylene (MA-PP) and polyvinyl butyral (PVB). Three different material compositions were evaluated, varying the volume of binder used and the compatibilizer content (MA-PP). The use of silicon dioxide (SiO2) and iron oxide (Fe2O3) as flowability additives in different mass percentages was evaluated. The materials produced were applied to indirect L-PBF. The best flowability and apparent density results were obtained using 1 wt% of Fe2O3 additive. The best results in flowability, apparent density, distribution of binders in the composite particle and densification of the manufactured samples were obtained for mixtures with a higher content of compatibilizer and binders. The material was spheroidized in a Downer Reactor. Spheroidization in a Downer Reactor increased the circularity of the composite granules and the apparent density of the material by 0.2 g/cm³. However, it did not guarantee a significant increase in the density of the green samples. Higher energy densities, in general, generated parts with greater green density and greater distortion of the nominal dimensions of the parts. Two step debinding was performed. In solvent extraction, PVB was removed using an ethyl alcohol bath for 24 h. Thermal extraction was carried out using a Plasma Assisted Debinding and Sintering (PADS) furnace in a single thermal cycle. The thermal extraction was carried in a hydrogen atmosphere and temperature between 200 and 450°C. Sintering was carried out in a hydrogen and argon atmosphere at 1300°C for 1 h. Lower energy densities in manufacturing favored the removal of binders. The samples manufactured using the spheronized material in a Downer Reactor did not result in samples with greater density after sintering. The retractions on the X and Y axes are proportional and homogeneous to each other. The retraction in X and Y varied between 14% and 16%. The retraction in Z was higher than the other axes and varied between 17 and 24%. The densities of sintered samples, in general, are proportional to the increase in energy density during manufacturing. The metallic parts manufactured using an energy density of 300 kJ/m² reached an average density of 48.06% relative to the density of DIN 20MnCr5 steel, after sintering.