Modelagem Numérica da Distribuição de Calor na Fusão por Feixe de Elétrons® do Ti-6Al-4V

A fusão por feixe de elétrons® (EBM) é um dos processos de fabricação aditiva que mais cresce, capaz de construir peças com geometria complexa, feitas predominantemente de ligas de Ti. Fornecer uma compreensão dos efeitos dos parâmetros do processo sobre a distribuição de calor em uma amostra construída por EBM® pode ser o passo preliminar para o controle microestrutural e, consequentemente, das propriedades mecânicas. A modelagem numérica é uma ferramenta útil para a otimização dos parâmetros de processamento, pois diminui o nível de experimentação necessária e economiza significativamente tempo e custo. Até agora, poucos modelos numéricos foram desenvolvidos para investigar os efeitos dos parâmetros do processo EBM® na distribuição de calor e na geometria da poça fundida. Todos os modelos numéricos ignoraram a convecção do material dentro da poça fundida, o que afeta a real representação da distribuição de temperatura e a geometria da poça fundida. Neste estudo, uma fonte de calor móvel de feixe de elétrons e propriedades dependentes da temperatura do Ti-6Al-4V foram utilizadas para fornecer um modelo 3D térmico-fluido de EBM®. Foi estudada a influência dos parâmetros do processo, incluindo velocidade de varredura do feixe de elétrons, corrente do feixe de elétrons e densidade do leito de pó. Além disso, os efeitos da convecção do fluxo na distribuição de temperatura e na geometria da poça fundida foram investigados comparando-se um modelo puramente térmico com o modelo térmico-fluido desenvolvido. De acordo com os resultados, o coeficiente negativo de temperatura da tensão superficial no Ti-6Al-4V foi responsável pela formação de um fluxo para fora na poça fundida. Também, os resultados mostraram que ignorar a convecção do material dentro da poça fundida resultou na formação de uma poça fundida com largura menor e comprimento mais curto, enquanto apresentou penetração mais profunda e temperatura máxima mais alta na poça fundida. O aumento da densidade do leito de pó foi acompanhado por um aumento na condutividade térmica do leito de pó, que resultou em uma redução da largura da poça fundida na superfície superior do leito de pó. Medições experimentais de largura e profundidade da poça fundida foram realizadas para validar o modelo numérico.