Influência da marcação a laser na estampagem incremental do alumínio 1200H14

Abstract

A Conformação Incremental de Chapas (ISF, do inglês Incremental Sheet Forming) é um processo flexível, sem matrizes dedicadas, adequado à prototipagem rápida e à produção em pequenos lotes. A conformabilidade no ISF é tradicionalmente avaliada pela deformação de grids de círculos gravados na superfície da chapa, que se tornam elipses durante a conformação. Esses grids costumam ser aplicados por ataque eletroquímico (AE), técnica manual, demorada, dependente de estênceis e sujeita a marcações irregulares. Este trabalho avaliou a marcação a laser como alternativa ao AE na aplicação de grids de deformação em chapas de alumínio AA1200-H14 submetidas à conformação incremental de ponto simples. Na primeira série, chapas de 0,8 mm foram marcadas por AE, por laser CO2 com tinta absorvente e por laser Nd:YAG de pulsos de nanossegundos em três conjuntos de parâmetros, todos a 30 kHz: Parâmetros Nd:YAG 1, Parâmetros Nd:YAG 2 e Parâmetros Nd:YAG 3. Com os conjuntos sendo o parâmetro 2 o mais severo, seguido pelo conjunto 1 e por fim conjunto 3. As marcações foram caracterizadas quanto à profundidade do sulco, ao contraste e à espessura de linha, e as chapas foram conformadas até a fratura em hiperboloides com um robô ABB IRB140. Na segunda série, chapas de 0,5 mm foram marcadas com o laser Nd:YAG em 20 combinações de sobreposição (-30% a 60%) e potência (60% a 100%), a 60 kHz, e conformadas em pirâmides hiperbólicas com um robô KUKA KR IONTEC. O conjunto de parâmetros Nd:YAG 1 apresentou o melhor desempenho nas chapas de 0,8 mm. Ele produziu grids com contraste de 70,1 + 1,2%, contra 65,8 + 13,0% do AE, em menos da metade do tempo de execução. Sua deformação meridional na fratura (f1 = 1,309) não diferiu da obtida com o AE (f1 = 1,294) além do desvio padrão das medições. Já o conjunto de parâmetros Nd:YAG 2 reduziu f1 em cerca de 29%, embora seu sulco tenha sido apenas 12% mais profundo. Esse resultado indica que a perda de conformabilidade decorreu do acúmulo de energia associado à elevada sobreposição, que produziu refusão e sulcos irregulares, e não da profundidade isoladamente. Nas chapas de 0,5 mm, a sobreposição foi o parâmetro predominante na profundidade do sulco. Somente as marcações de maior sobreposição geraram e direcionaram uma trinca, e as chapas marcadas com elas apresentaram deformação meridional cerca de 15% menor. Em baixas sobreposições, o contraste foi governado principalmente pela zona termicamente afetada, o que permitiu marcações legíveis e com modificação topográfica mínima. Conclui-se que a marcação a laser com parâmetros adequadamente selecionados é uma alternativa viável, rápida e reprodutível ao ataque eletroquímico para a análise de deformações no ISF.

Abstract: Incremental Sheet Forming (ISF) is a flexible, dieless process suited to rapid prototyping and small-batch production. Formability in ISF is traditionally assessed through the deformation of circle grids engraved on the sheet surface, which become ellipses during forming. These grids are usually applied by electrochemical etching (EE), a manual, time-consuming technique that depends on stencils and is prone to irregular markings. This work evaluated laser marking as an alternative to EE for applying strain grids to AA1200-H14 aluminum sheets subjected to single point incremental forming. In the first series, 0.8 mm sheets were marked by EE, by a CO2 laser with an absorbent coating, and by a nanosecond-pulsed Nd:YAG laser using three parameter sets, all at 30 kHz: Nd:YAG parameter sets 1, 2, and 3, with set 2 being the most aggressive, followed by set 1 and then set 3. The markings were characterized in terms of groove depth, contrast, and line width, and the sheets were formed to fracture into hyperboloids using an ABB IRB140 robot. In the second series, 0.5 mm sheets were marked with the Nd:YAG laser using 20 combinations of overlap (-30% to 60%) and power (60% to 100%) at 60 kHz, and formed into hyperbolic pyramids using a KUKA KR IONTEC robot. Nd:YAG parameter set 1 showed the best performance on the 0.8 mm sheets. It produced grids with a contrast of 70.1 ± 1.2%, compared with 65.8 ± 13.0% for EE, in less than half the processing time. Its major strain at fracture (f1 = 1.309) did not differ from that obtained with EE (f1 = 1.294) beyond the standard deviation of the measurements. In contrast, Nd:YAG parameter set 2 reduced f1 by approximately 29%, even though its groove was only 12% deeper. This result indicates that the loss of formability was caused by the energy accumulation associated with high overlap, which produced remelting and irregular grooves, rather than by groove depth alone. In the 0.5 mm sheets, overlap was the predominant parameter governing groove depth. Only the markings with the highest overlap guided the crack path, and the sheets marked with them showed a major strain approximately 15% lower. At low overlaps, contrast was governed mainly by the heat-affected zone, which enabled legible markings with minimal topographic modification. It is concluded that laser marking with properly selected parameters is a viable, fast and reproducible alternative to electrochemical etching for strain analysis in ISF.