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Publicação
Enhancement of functionally graded material created by multi-feed wire and arc additive manufacturing using full-field identification method
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 20.91 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Materials and their importance to society have evolved over time. In today’s challenges,
material innovation for economic and environmental sustainability has gained prominence.
Additive manufacturing (AM) is a promising technology for producing 3D parts. Some
AM processes allow for the production of functionally gradient materials (FGMs) in a
single step, an advantage over conventional methods. Recently, FGM metal parts have been
manufactured by direct arc and wire energy deposition (WAAM) to reduce material costs.
Traditional tests are inadequate for evaluating the mechanical properties of FGMs due to
their heterogeneity. Therefore, specialized approaches using full-field measurements and
advanced inverse methods are required to accurately characterize the unique composition
and structure of FGMs.
This thesis presented a numerical analysis and experimental validation of the behaviour
of a Cu-CuAl FGM. In the inverse identification, the Virtual Fields Method (VFM) was
used to extract material parameters from full-field deformation measurements obtained
by Digital Image Correlation (DIC). The FGMs were fabricated by WAAM, using gas
tungsten arc welding (GTAW) and inert metal gas (MIG) welding as heat sources. The
material parameter identification was carried out based on simulation first, as verification,
then on experimental data. A library of Cu-CuAl material compositions was also created
to evaluate their properties.
This study evidenced the feasibility of using WAAM in the production of FGMs. The
results show that Cu and Al have very different thermal conductivity coefficients and
melting temperatures, which contribute to their metallurgical incompatibility. In this
way, Cu and CuAl alloys were combined in an FGM which showed better metallurgical
compatibility. It can be concluded that preheating the previous layers results in better
cohesion between the different FGM materials.
Os materiais e sua importância para a sociedade têm evoluído ao longo do tempo. Nos desa- fios atuais, a inovação material para a sustentabilidade económica e ambiental tem ganhado destaque. A manufatura aditiva (AM) é uma tecnologia promissora para produzir peças 3D. Alguns processos AM permitem obter materiais com gradiente de funcionalidade (FGMs) numa única etapa, uma vantagem sobre métodos convencionais. Recentemente, peças metálicas FGMs foram fabricadas por deposição direta de energia por arco elétrico e fio (WAAM) para reduzir o custo do material. Os testes tradicionais são inadequados para avaliar as propriedades mecânicas dos FGMs devido à sua heterogeneidade. Assim, são necessárias abordagens especializadas que usem medições de campo completo e métodos inversos avançados para caracterizar com precisão a composição e estrutura únicas dos FGMs. Esta tese mostrou uma análise numérica e validação experimental do comportamento de um FGM Cu-CuAl. Na identificação inversa, o Método dos Campos Virtuais (VFM) foi utilizado para extrair parâmetros do material a partir de medidas de deformação de campo total obtidas por Correlação Digital de Imagem (DIC). Os FGMs foram produzidos por WAAM, utilizando soldadura com gás inerte de tungstênio (TIG) e gás inerte metálico (MIG) como fontes de calor. A identificação dos parâmetros do material foi realizada primeiro com base na simulação, como verificação, e depois em dados experimentais. Foi também criada uma libraria de composições Cu-CuAl para avaliar as suas propriedades. Este estudo evidenciou a viabilidade do uso de WAAM na produção de FGMs. Os resultados mostram que Cu e Al possuem coeficientes de condutividade térmica e tempe- raturas de fusão muito diferentes, o que contribui para sua incompatibilidade metalúrgica. Desta forma, as ligas de Cu e CuAl foram combinadas num FGM que apresentou me- lhor compatibilidade metalúrgica. Pode-se concluir que o pré-aquecimento das camadas anteriores resulta numa melhor coesão entre os diferentes materiais FGMs.
Os materiais e sua importância para a sociedade têm evoluído ao longo do tempo. Nos desa- fios atuais, a inovação material para a sustentabilidade económica e ambiental tem ganhado destaque. A manufatura aditiva (AM) é uma tecnologia promissora para produzir peças 3D. Alguns processos AM permitem obter materiais com gradiente de funcionalidade (FGMs) numa única etapa, uma vantagem sobre métodos convencionais. Recentemente, peças metálicas FGMs foram fabricadas por deposição direta de energia por arco elétrico e fio (WAAM) para reduzir o custo do material. Os testes tradicionais são inadequados para avaliar as propriedades mecânicas dos FGMs devido à sua heterogeneidade. Assim, são necessárias abordagens especializadas que usem medições de campo completo e métodos inversos avançados para caracterizar com precisão a composição e estrutura únicas dos FGMs. Esta tese mostrou uma análise numérica e validação experimental do comportamento de um FGM Cu-CuAl. Na identificação inversa, o Método dos Campos Virtuais (VFM) foi utilizado para extrair parâmetros do material a partir de medidas de deformação de campo total obtidas por Correlação Digital de Imagem (DIC). Os FGMs foram produzidos por WAAM, utilizando soldadura com gás inerte de tungstênio (TIG) e gás inerte metálico (MIG) como fontes de calor. A identificação dos parâmetros do material foi realizada primeiro com base na simulação, como verificação, e depois em dados experimentais. Foi também criada uma libraria de composições Cu-CuAl para avaliar as suas propriedades. Este estudo evidenciou a viabilidade do uso de WAAM na produção de FGMs. Os resultados mostram que Cu e Al possuem coeficientes de condutividade térmica e tempe- raturas de fusão muito diferentes, o que contribui para sua incompatibilidade metalúrgica. Desta forma, as ligas de Cu e CuAl foram combinadas num FGM que apresentou me- lhor compatibilidade metalúrgica. Pode-se concluir que o pré-aquecimento das camadas anteriores resulta numa melhor coesão entre os diferentes materiais FGMs.
Descrição
Palavras-chave
Copper Copper-Aluminium Alloy Wire and Arc Additive Manufacturing Functionally Graded Material Digital Image Correlation Virtual Field Method