Design and production of tools for the automotive industry using Directed Energy Deposition-Arc

Abstract

The rapid replacement of tools, in the automotive industry, is crucial, yet maintaining stocks of these tools is not ideal. The adoption of Directed Energy Deposition-Arc (DED-arc) technology would address the issue because it enables the production of large and complex parts with a significant material, cost and time saving. However, there are still limited application examples of DED-arc in the manufacture of stamping, cutting and forging tools. This study addresses the testing and optimization of deposition strategies for the 3D printing of parts produced by DED-arc (for the material ER70S-6), along with testing different overlaps between welding beads to this purpose. After the testing of process parameters, the production of a part with application in the automotive industry was successfully fabricated by DED-arc and cutting operations. It was concluded that the use of the suggested deposition strategy combined with the tested overlap values resulted in a non-defective specimen with 496.1 MPa of Ultimate Tensile Strength which represents 92.2 % of the technical specifications of the material ER70S-6. It also resulted in specimens that surpassed the technical specifications of nominal elongation of 24 % with values of 25.4 %. The microhardness tests resulted in values of 188.8 HV, which represents 68 % of the maximum calculated value of Vickers hardness. This study also concludes that, combined with adjusted settings and inputs presented in this work, the Prusa slicer software is a suitable tool for generating G-codes for the production of parts by DED- arc with simple features (linear welding beads). For curved features some future work should be performed to ensure the infill of the part.

A rápida substituição de ferramentas na indústria automóvel é crucial, no entanto, manter stocks destas ferramentas não é ideal. A adoção da tecnologia Directed Energy Deposition-Arc (DED-arc) contribuiria para a resolução do problema uma vez que permite a produção de peças de grande dimensão e complexidade com uma gestão significativa de material, custo e tempo. No entanto, ainda existem exemplos limitados de aplicação de DED-arc na fabricação de ferramentas de estampagem, corte e forjamento. Este estudo aborda a otimização e teste de estratégias de deposição para impressão 3D de peças por DED-arc (para o material ER70S-6), além de testar diferentes sobreposições entre cordões de soldadura para esse fim. Após os testes dos parâmetros do processo, a produção de uma peça com aplicação na indústria automóvel foi fabricada com sucesso através de DED-arc e operações de fresagem. Concluiu-se que a utilização da estratégia de deposição sugerida aliada aos valores de sobreposição testados resultou em provetes sem defeitos com tensão de rotura de 496,1 MPa o que representa 92,2 % das especificações técnicas do material ER70S-6. Resultou também em provetes que superaram as especificações técnicas de extensão nominal de 24 % com valores de 25,4 %. Os ensaios de microdureza resultaram em valores de 188,8 HV, o que representa 68 % do valor máximo calculado de dureza Vickers. Também se concluiu que, juntamente com as definições e parâmetros ajustados utilizados neste trabalho, o software Prusa Slicer é uma ferramenta adequada para geração de códigos G para produção de peças por DED-arc com características simples (cordões de soldadura lineares). Para características curvas, algum trabalho futuro deverá ser realizado para garantir o preenchimento da peça.