Estudo da resistência térmica em componentes metálicos fabricados por manufatura aditiva e usados em moldações metálicas para fundição

Abstract

A realização deste trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma moldação capaz de promover o arrefecimento dirigido de um metal líquido quando vazado numa qualquer cavidade moldante em moldação metálica. Para tal recorrer-se-á a canais de arrefecimento conformados produzidos pela tecnologia de Manufatura Aditiva (MA). Este objetivo vem na sequência de diversos defeitos que são gerados nos processos de fundição atuais. Com a aplicação de um arrefecimento localizado gerado pela existência de canais conformados, haverá uma melhoria significativa nas peças produzidas. Este trabalho consistiu em 3 fases distintas. Inicialmente, fez-se um trabalho de pesquisa que passou pelo estudo das tecnologias de fundição por gravidade, fundição injetada e também de tecnologias de MA. Assim, foi possível compreender ao pormenor como funciona cada uma destas tecnologias de fundição, bem como a versatilidade que se pode obter pela aplicação da MA neste tipo de fundição. Quanto à MA fez-se um estudo prévio sobre as tecnologias existentes e quais as mais favoráveis para aplicar em moldações permanentes. Tendo conhecimento de todos os conceitos teóricos importantes para a realização deste trabalho passou-se para uma segunda fase onde se iniciou a conceção da moldação com a MA. Tendo a ideia do que se pretendia desenvolver, foram propostas 4 soluções que foram analisadas tendo em conta diversos fatores, entre eles os materiais da moldação e de MA. Construiu-se um modelo a utilizar na cavidade moldante, bem como a respetiva moldação. Utilizou-se um protótipo de coquilhadora concebido previamente pelos responsáveis do projeto à qual foram feitas algumas alterações. Por fim, foram feitos estudos experimentais e numéricos que permitem caracterizar a transferência de calor entre a cavidade moldante e os canais. Foi também validado numericamente o processo de fundição com e sem canais de arrefecimento, compreendendo assim a sua influência na transferência de calor.

The work’s purpose is to develop a mold capable of promoting directed cooling of a melt when poured into any molding cavity in metal molding. For this, shaped cooling channels produced by Additive Manufacturing (AM) technology will be used. Several defects are generated in current casting processes, appearing the objective of this work. There will be a significant improvement in the parts produced due to the existence of conformal cooling channels that cools down specific and critical areas. This work consisted in 3 distinct phases. Initially, a research work was carried out including the study of gravity casting, die-casting and AM technologies. Thus, it was possible to understand in detail how each of these foundry technologies works, knowing what can be expected from each one and the versatility obtained by the application of AM in this type of foundry. As for AM, a previous study on the existing technologies and which are the most favourable to apply in permanent mouldings was carried out. Having the knowledge from the important theoretical concepts, we moved on to a second phase where the design of the moulding with the AM began. Based on one concept of what was intended to be developed, four solutions were proposed considering several factors, among them, the casting and AM materials. A model was constructed to be used in the mold cavity, as well as the respective mold. A prototype of a chiller was used, previously conceived by those responsible for the project, to which some changes were made. Finally, experimental and numerical studies were carried out to characterize the heat transfer between the moulding cavity and the channels. The casting process with and without cooling channels were also numerically validated, understanding their influence on heat transfer.