Saltar para o conteúdo principal

FCCNserviços digitais da FCT

Consulte informações sobre apoios e financiamentos científicos em Portugal

Atividade Financiada

Otimização de topologia e manufatura aditiva unificadas para obter estruturas metálicas com gradiente de funcionalidade

Topology optimization and metal additive manufacturing unified to obtain functionally graded material structures

Referência
2022.06903.PTDC
Data de Início do Projeto
2023-02-01
Data de Fim do Projeto
2025-01-31
Investigador Principal
Coinvestigador Principal
Área Científica
Ciências da engenharia e tecnologias
Programa de Financiamento
Concurso de Projetos de I&D em Todos os Domínios Científicos - 2022 - PEX

Resumo

Porque é que Materiais com Gradiente de Funcionalidade (FGM) podem ser excecionais quando comparados com materiais de engenharia convencionais? Uma perspetiva biológica responde a esta pergunta. Por exemplo, os canais para os vasos sanguíneos no osso, tipicamente não estão associados a falhas estruturais do osso sob carga. De facto, tal deve-se a um gradiente de propriedades na vizinhança desses canais, melhorando a resistência mecânica. Isto inspira a manufatura de estruturas com recurso a meios digitais, envolvendo Otimização de Topologia (TO) e Fabrico Aditivo (AM). Uma evolução destas ferramentas de design e fabrico é a síntese de materiais com estrutura e funcionalidade específicas. Esta abordagem reivindica um potencial sem precedentes, no qual os materiais podem evoluir para um paradigma bio-inspirado de heterogeneidade e gradiente de propriedades mecânicas [1]. Os FGM podem agora ser materializados através de sistemas de AM. Isto atende aos desafios ambientais e de sustentabilidade através do uso racional de recursos e energia. Pode-se fabricar FGM atuando na arquitetura ou composição do material [2]. Este projeto estuda a variação de composição. Resultados notáveis já foram alcançados, por exemplo, para mitigar a concentração de tensões [3] ou aumentar a resistência à fratura [4]. Neste projeto, propõe-se uma metodologia multidisciplinar para a criação de elementos estruturais FGM. Esta visão assenta na consolidação duma abordagem que integra a TO e Manufatura Aditiva de Arco Elétrico (WAAM), recorrendo a métodos de identificação inversa para verificação virtual e experimental. Tal envolve um trabalho de investigação científica de caráter exploratório, pois a ideia de integrar TO e AM para produção de FGM metálicos requer uma prova de conceito, uma vez que são escassas as contribuições científicas nesta área. Assim, resolvem-se problemas modelo de tensão onde o objetivo é a mitigação das tensões através de soluções de FGM. O projeto de estruturas orientado para a resistência mecânica é aqui o foco, contrastando com a abordagem clássica do problema de TO orientado para a rigidez mecânica. Apesar de se ter como objetivo aqui a obtenção de uma prova de conceito, a metodologia desenvolvida pretende ser geral o suficiente para se obter peças estruturais FGM de uso comum em engenharia. Os FGM podem ser obtidos a partir de diferentes processos de fabricação avançados. No entanto, o estado da arte desses processos de síntese de materiais ainda está envolto em vários desafios devido à complexidade das estruturas FGM. A norma ISO 17296-2:2015 [5] prescreve sete processos de AM. Neste projeto, a WAAM é reivindicada como a mais adequada para a produção de peças estruturais FGM e conta aqui com a experiência dos membros da equipa J. Oliveira e T. Santos. É um processo direto de deposição de material que utiliza energia térmica (um arco elétrico) para fundir o material a depositar (arame). Uma variante WAAM de alimentação de arame duplo é implementada, usando diferentes ligas metálicas, permitindo uma predefinição e controlo de diferentes frações de volume, que podem ser usadas para controlar a microestrutura e a composição química ao longo das direções de deposição. Foram utilizados outros processos de AM, como Deposição de Metal a Laser (LMD) e Fusão a Laser Seletiva (SLM). No entanto, no LMD, a variação espacial gradual de diferentes pós metálicos não é tão precisa e rápida. O SLM é uma ferramenta poderosa para produzir materiais celulares. No entanto, é um processo à base de pó que não é flexível para controlar em tempo real a composição química. Além disso, é muito moroso para produzir peças estruturais de tamanho médio ou grande. O projeto de FGM deve ser assistido pela TO [6]. A TO tem sido a área de investigação mais ativa em otimização estrutural e multidisciplinar nas últimas décadas [7]. O PI (P. Coelho) tem contribuindo para esta área durante quase 20 anos e, juntamente com outro membro da equipa (F. Conde), foram recentemente feitas algumas contribuições relevantes no projeto multimaterial de estruturas, abrindo assim caminho para soluções de design FGM [8]. Os FGM exibem campos de tensão heterogêneos, requerendo assim uma abordagem disruptiva que lida com a caracterização de parâmetros materiais, acoplando métodos de identificação inversa com medições de campos de deformação [9]. Esta metodologia será implementada usando a correlação digital de imagens (DIC) [10] combinada com o Método dos Campos Virtuais (VFM) e o MEF iterativo (FEMU) [11]. O co-IP (J. Xavier) é especialista nesta área. No curto prazo, este projeto terá impacto científico, avançando o estado da arte por meio da customização da tecnologia de produção de FGM por WAAM e de uma sistematização para a sua simulação, produção e análise com DIC. Isto será divulgado através de artigos científicos e de uma comunicação digital e disseminação para o publico em geral. No meio académico o impacto será através de bolsas de investigação para jovens.

Instituições

Instituições Principais

  • Universidade Nova de Lisboa Associação para a Inovação e Desenvolvimento da FCT (NOVA.ID.FCT)

Financiamento 49.985,82 €

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Portugal

49.985,82 €