Friction Rolling Additive Manufacturing: Process Implementation and Feasibility Study of Ceramic Particle Incorporation

Abstract

The development of the Friction Rolling Additive Manufacturing (FRAM) process was driven by the challenges of processing aluminum alloys in additive manufacturing (AM), particularly the solidification defects that can compromise part integrity. Conventional AM techniques that rely on material fusion struggle to produce high-strength aluminum alloys, highlighting the need for solid-state alternatives. FRAM provides an innovative solution by generating heat through friction, enabling the deposition of metallic materials in a solid state and thereby minimizing the risk of solidification defects. The primary objectives of this work were to establish the laboratory conditions necessary for the FRAM process for solid-state metals and to evaluate the feasibility of incorporating ceramic particles into the deposited metal layers. This involved the production of the friction tool, fine-tuning of operational parameters, and the development of a continuous guiding system for the feed material. Experimental tests were conducted to deposit aluminum layers with and without integrated ceramic particles, followed by characterization through tensile tests, hardness tests, and microstructural analyses. Results showed that particle dispersion depends on the deposition parameters. Tensile tests revealed that particle presence did not affect the tensile strength, supporting the potential of composite fabrication via additive manufacturing. Hardness tests identified variations in areas where bonding occurred, forming a microstructure with distinct characteristics. The results indicated that the FRAM process has significant potential for producing metal matrix composites containing ceramic particles. However, challenges related to achieving uniform particle distribution and controlling process parameters remain to be addressed.

O desenvolvimento do processo de Friction Rolling Additive Manufacturing (FRAM) foi motivado pelos desafios no processamento de ligas de alumínio no fabrico aditivo (FA), particularmente pelos defeitos de solidificação que podem comprometer a integridade das peças. As técnicas convencionais de FA, que dependem da fusão de materiais, têm dificuldades em produzir ligas de alumínio de elevada resistência, evidenciando a necessidade de alternativas em estado sólido. O processo FRAM oferece uma solução inovadora ao gerar calor por fricção, permitindo a deposição de materiais metálicos em estado sólido e, assim, minimizando o risco de defeitos de solidificação. Os principais objetivos deste trabalho foram estabelecer as condições laboratoriais necessárias para o processo FRAM para metais em estado sólido e avaliar a viabilidade da incorporação de partículas cerâmicas nas camadas de metal depositadas. Isto envolveu a produção da ferramenta de fricção, o ajuste dos parâmetros operacionais e o desenvolvimento de um sistema de alimentação guiada contínua para o material de alimentação. Foram realizados testes experimentais para depositar camadas de alumínio com e sem partículas cerâmicas integradas, seguidos por caracterizações através de ensaios de tração, testes de dureza e análises microestruturais. Os resultados mostraram que a dispersão de partículas depende dos parâmetros de deposição. Os ensaios de tração revelaram que a presença de partículas não afetou a resistência à tração, reforçando o potencial do fabrico de compósitos através do fabrico aditivo. Os ensaios de dureza identificaram variações nas áreas onde ocorreu a união, formando uma microestrutura com características distintas. Os resultados indicaram que o processo FRAM tem um potencial significativo para a produção de compósitos de matriz metálica contendo partículas cerâmicas. No entanto, desafios relacionados com a obtenção de uma distribuição uniforme das partículas e o controlo dos parâmetros do processo ainda precisam de ser resolvidos.