A manufatura aditiva por deposição a arco (MADA) é um processo inovador de fabricação, que utiliza um arco elétrico como fonte de calor, permitindo a fusão de arame para a produção de peças por meio da adição sucessiva de camadas de material, formando a geometria final do objeto ⁽¹¹⁾. Sua importância reside na capacidade de produzir componentes complexos de forma econômica e eficiente, eliminando a necessidade de ferramentas adicionais como moldes, com taxas de deposição relativamente altas ⁽¹⁴⁾. Com o crescimento exponencial da indústria de manufatura aditiva, que em 2016 ultrapassou US$ 1.030 milhões e projeta uma receita de US$ 7.150 milhões até 2026, essa técnica se destaca na Indústria 4.0, revolucionando setores como o aeroespacial e o automotivo ^{(4, 14)}. Além disso, a flexibilidade proporcionada por essa tecnologia permite a customização de produtos, atendendo às demandas de personalização e melhorando a produtividade industrial ⁽⁵⁾. Os defeitos em componentes fabricados por MADA podem ser classificados em internos e superficiais, ambos com grande impacto na qualidade final. Defeitos internos como falta de fusão, porosidade e impurezas são uma preocupação significativa para aplicações estruturais e cíclicas, pois afetam diretamente a integridade mecânica do componente ⁽¹⁾. Já os defeitos superficiais, como rugosidade elevada e arranhões, podem comprometer o desempenho funcional das peças, especialmente em aplicações que requerem alta resistência ao desgaste ou fricção. O polimento, um dos métodos mais antigos de acabamento, é usado para suavizar essas superfícies, reduzindo a rugosidade ao empregar grãos abrasivos fixados temporariamente em discos macios ⁽⁷⁾. Assim, o controle dos defeitos internos e superficiais é essencial para garantir a qualidade das peças produzidas por MADA.

O polimento é também fundamental para melhorar a qualidade superficial de peças fabricadas, especialmente quando a geometria do componente já está próxima da forma final. O polimento é também crucial para a remoção precisa de rebarbas, principalmente em peças em escala micro, onde uma alta precisão é necessária, sem alterar significativamente a geometria da peça ⁽⁶⁾. Esse processo é menos agressivo em termos de remoção de material, sendo ideal para aplicações que requerem um acabamento superficial de alta qualidade, como é o caso de peças microusinadas, em que a manutenção da integridade da borda é essencial. Além disso, o polimento é amplamente usado para modificar a textura da superfície, proporcionando acabamentos espelhados e reflexivos sem alterar a geometria da peça ⁽⁷⁾. Esse processo é de extrema importância na análise microestrutural realizada em ensaios de metalografia, pois elimina as irregularidades superficiais que poderiam comprometer a precisão da observação microscópica. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência do método de deposição na qualidade superficial de peças que passaram pelo processo de lixamento e polimento, com foco na avaliação da rugosidade, visando identificar como diferentes técnicas de deposição afetam a presença de defeitos superficiais e a obtenção de amostras com superfícies adequadas para atender às exigências de qualidade.

 

Metodologia

Consumíveis e equipamentos

Os consumíveis usados na deposição incluíram o arame ER70S-6, com diâmetro de 1,2 mm, cujas especificações químicas podem ser observadas na tabela 1. O gás de proteção usado foi uma mistura de argônio com 18% de CO2 , com vazão variando entre 15 l/min e 20 l/min. Quanto aos equipamentos, o sistema de deposição contou com o robô cartesiano MAXR23-S42-H42-C42 da Schneider Electric, programado para seguir uma trajetória definida por código G, compilado pelo software SoMachine V4.3.

 

O efetuador terminal do robô, incluindo a tocha e o sensor de colisão, possui dimensões de 740 x 540 x 480 mm, com uma resolução de 0,1 mm. O painel de controle do robô inclui indicadores visuais para monitoramento e uma interface homem-máquina (IHM) para ajustar parâmetros, inserir o código G e configurar a tocha. A fonte de alimentação usada foi a TransPuls Synergic 5000 CMT da Fronius, compatível com os processos GMAW (de gas metal arc welding, também conhecido como MIG/MAG) convencional e pulsado, CMT (transferência de metal a frio) e GTAW (de gas tungsten arc welding, também conhecido como TIG). A figura 1a ilustra todo o sistema de deposição e a figura 1b mostra o local de deposição das amostras no substrato.

 

 

 

Figura 1 – Representação do local de deposição: (a) substrato onde as deposições foram realizadas e (b) equipamentos usados (Viera, 2024) 

 

Metodologia de deposição

Neste trabalho foram depositadas quatro paredes de 350 mm, alterando tanto a direção de deposição quanto o controle da temperatura de interpasse. A primeira amostra possui 26 camadas, e a estratégia de deposição foi a unidirecional sem controle de temperatura. Na segunda amostra, a mesma estratégia foi adotada, porém com a temperatura de interpasse mantida em 60ºC. Com a terceira amostra, composta por 30 camadas, foi usada uma estratégia bidirecional, sem controle de temperatura. Na quarta amostra foram depositadas 25 camadas, com estratégia bidirecional, e a temperatura de interpasse foi controlada em 60ºC. As velocidades de deslocamento da tocha e as estratégias de deposição usadas em cada amostra são mostradas na figura 2.

 

Figura 2 – Método de deposição das amostras: (a) amostra 1, (b) amostra 2, (c) amostra 3 e (d) amostra 4 ⁽³⁾. 

 

Preparação das amostras

Para a extração das amostras, foi feito um corte transversal com uma serra de fita horizontal, sem a aplicação de fluido de corte. As amostras extraídas possuíam aproximadamente 8 ± 0,67 mm (figura 3a), e a temperatura foi monitorada durante o corte para evitar alterações na microestrutura. No embutimento a frio, as amostras foram organizadas em moldes de polipropileno com espaçamento adequado. A resina de poliéster Carplast foi usada na proporção de 100 ml para 4 ml de catalisador, com tempo de cura de 24 horas. A figura 3b ilustra o processo de desmoldagem.

No lixamento progressivo foi usada uma politriz de velocidade variável e lixas d’água. As granulometrias das lixas seguiram a sequência: 120, 220, 400, 600, 800 e 1.200. As amostras foram lixadas em movimentos alternados, no sentido horário e anti-horário, por cinco minutos em cada lixa, garantindo um desbaste uniforme. O resultado do lixamento progressivo é ilustrado na figura 3c.

Figura 3 – Etapas para o processo de polimento. 

 

O polimento mecânico realizado consistiu no uso de uma politriz metalográfica. Como abrasivo, foi usada a pasta de diamante para polimento metalográfico da fabricante Teclago, com granulometria média de 3,0 µm, aplicada sobre um pano de polimento da mesma marca, com granulometria entre 3 µm e 6 µm. O pano usado possuía diâmetro de 200 mm, e o tempo total do processo de polimento foi de 15 minutos.

Variáveis de saída

Como o objetivo do trabalho foi avaliar a qualidade superficial após o polimento, a rugosidade superficial destaca-se como uma maneira quantitativa de avaliação. Para isso, a medição da rugosidade foi feita em um microscópio Confocal Lext- OLS4100, seguindo as recomendações da norma com uso de filtro da Gauss e cut-off de 800 µm. Foram realizadas cinco medições para cada condição e os resultados serão apresentados como a média das medições e duas vezes o desvio-padrão, resultando em um intervalo de confiança de 95,45%. Complementarmente, foram obtidas imagens da superfície com ampliações de 50 vezes.

Resultados e discussões

Os valores das médias das rugosidades obtidas para as superfícies polidas podem ser observados na figura 4. Nota-se que não houve variação estatística entre os valores de rugosidade superficial para as superfícies das amostras obtidas pelos diferentes métodos de deposição. Este resultado pode estar relacionado à dureza das peças. De acordo com a literatura ⁽³⁾, para os mesmos métodos de deposição houve pouca variação da microdureza média da amostra, com a maior dureza sendo 196 HV para a amostra 3 e a menor sendo 174 HV para a amostra 4. Entretanto, não há correlação direta entre a variação da dureza e os valores de rugosidade obtidos. Nota-se também que o valor médio da dureza é aproximadamente 186 HV, e uma vez que foi usado o diamante como abrasivo para o polimento, a variação da dureza ocorrida devido ao método de deposição não é suficiente para causar uma variação da qualidade superficial. Assim, a escolha do método de deposição pode ser realizada devido a outras características desejadas para a peça, mas não impede seu pós-processamento.

Figura 4 – Valores de rugosidade após polimento de amostras depositadas com diferentes metodologias.

 

Ressalta-se que este tema não foi ainda amplamente abordado na literatura, com poucos estudos disponíveis a respeito da qualidade superficial após processos de lixamento e polimento. Na literatura ^{(8, 12)} estão algumas das poucas referências encontradas sobre o tema, embora apresentem diferenças metodológicas significativas. Em ambos os estudos foram usados o  aço inoxidável 316L como material de amostra e o processo de acabamento por MAF (magnetic abrasive finishing, acabamento magnético abrasivo) após uma etapa intermediária de fresamento.

O trabalho aqui apresentado concentrou-se na relação direta entre o método de deposição e o polimento, com ênfase na avaliação da rugosidade superficial. Já os trabalhos disponíveis na literatura ^{(8, 12)}, destacam a importância dos processos intermediários, como o fresamento, para garantir uma boa qualidade superficial preliminar. Os resultados obtidos nesses estudos indicam que, desde que haja uma preparação adequada da superfície antes do processo MAF, usando técnicas intermediárias que promovam a suaviza ção da superfície, é possível obter ótimos resultados de rugosidade superficial. Para complementar a análise, na figura 5 podem ser observadas as imagens das superfícies após o polimento. Ao observar as imagens, nota-se a presença de marcas dos abrasivos. Isso pode ter influenciado os relativamente altos valores de rugosidade, similares aos obtidos na literatura ^{(9, 10)}, em processos de fresamento da mesma liga, com estudos da trajetória de corte, com valores de Ra de 0,23 µm e 0,22 µm, respectivamente, nas melhores condições de usinagem.

Os defeitos observados nas superfícies das amostras após o polimento (figura 5) podem estar relacionados a alguns fatores críticos durante o processo de lixamento e polimento. Um dos principais problemas foi a troca prematura de lixas, o que resultou na remoção incompleta dos picos, impedindo que a superfície obtivesse o nível mais baixo dos vales (limite inferior), deixando irregularidades residuais. Outro fator crítico foi o reposicionamento das amostras na politriz, alternando-as em 90º a cada intervalo de tempo. Embora essa prática seja recomendada para garantir uniformidade no desgaste, se realizada de forma inconsistente, pode comprometer a homogeneidade do acabamento. Além disso, a presença de poros nas superfícies sugere que as amostras não permaneceram tempo suficiente sob a ação das lixas de granulometria mais grossa, o que seria necessário para eliminá-los.

 

Figura 5 – Superfícies das amostras após o polimento.

 

Os riscos remanescentes indicam que os picos (limite superior) não foram completamente removidos no processo de lixamento progressivo, comprometendo a qualidade final da superfície. Destaca-se que são necessários novos estudos para verificar possíveis melhorias na metodologia de polimento e obter maior compreensão sobre como melhorar o acabamento deste tipo de material.

 

Conclusão

Após o estudo teórico e a realização do polimento de peças de ER70S-6 obtidas por MADA, com diferentes estratégias de deposição, foi concluído que houve pouca variação da rugosidade devido ao método de deposição, com o maior valor sendo 0,24 µm e o menor 0,22 µm, para a amostra depositada de forma unidirecional com temperatura de interpasse. Os defeitos observados nas superfícies das amostras indicam que a troca prematura das lixas, um reposicionamento inconsistente das amostras e um tempo insuficiente de lixamento nas granulometrias mais grossas são fatores que comprometeram a qualidade final do polimento, deixando irregularidades e poros na superfície. O método de deposição pode ser selecionado com base em outras características funcionais desejadas para a peça, sem comprometer a viabilidade do pós-processamento ou o acabamento superficial. Este tema é pouco abordado na literatura e novos estudos são recomendados para uma maior compreensão dos fenômenos.

 

Agradecimentos 

Os autores agradecem à Faculdade de Tecnologia, ao Departamento de Engenharia Mecânica e à Universidade de Brasília pelo apoio. Os autores agradecem ao CNPq projetos 405499/2022-1 e 402730/2023-2.

 

Responsabilidade pelas informações

Os autores são os únicos responsáveis pelas informações incluídas neste trabalho

 

Referências

1) Barroqueiro, B., Campos, A.A., Valente, R. A. F. e Neto, V., 2019, “Metal additive manufacturing cycle in aerospace industry: a comprehensive review”. Journal of Manufacturing and Materials Processing, Vol.3, pp. 52. 

2) Böhler Welding, 2023, “Böhler SG 2 Solid Wire, Mild Steel”. Disponível em: . Acesso em: 20 de Junho de 2023. 

3) Costa, A.L.S., 2024, “Impacto da temperatura de interpasse e do método de deposição no perfil de microdureza Vickers de peças Er70s-6 fabricadas por manufatura aditiva via Cmt”. Monografia (Bacharelado em Engenharia Mecânica), Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, 131 p. 

4) González, J., Rodríguez, I., Cerqueira, J., Diéguez, J. L. e Pereira, A., 2017, “Additive manufacturing with GMAW welding and CMT technology”. Procedia Manufacturing, Vol.13, pp. 840-847.

5) Kumar, B. M. and Sathiya, P., 2021, “Methods and materials for additive manufacturing: a critical review on advancements and challenges”. Thin-Walled Structures, Vol.159, pp. 107228. 

6) Liao, L., Xi, F. J. E Liu, K., 2008, “Modeling and control of automated polishing/deburring process using a dualpurpose compliant toolhead”. International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.48, pp. 1454–1463. 

7) Marinescu, I.D., Dimitrov, B., Rowe, W.B. e Inasaki, I., 2004, “Tribology of abrasive machining processes”. Ed. William Andrew, Inc., 762 p. 

8) Maximiano, A.C., Souza, A.M., Rodrigues, A.R. e Da Silva, E.J., 2023, “Efeitos do pós-processamento por acabamento abrasivo magnético em peças produzidas por manufatura aditiva”. 31º Simpósio Internacional de Iniciação Científica e Tecnológica da USP, São Paulo, Brasil. 

9) Mota, E.N., 2023, “Avaliação da qualidade superficial no fresamento de peças de ER70S-6 obtidas por MADA em função da velocidade de corte e da direção de deposição”. Monografia (Bacharelado em Engenharia Mecânica), Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, 113 p. 

10) Natividade, V. L., 2024, “Investigação do impacto de diferentes ângulos de trajetória no acabamento superficial de peças de ER70S-6 produzidas por MADA-CMT após o fresamento de topo”. Monografia (Bacharelado em Engenharia Mecânica), Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, 106 p. 

11) Ngo, T.D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K.T.Q. e Hui, D., 2018, “Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges”. Composites Part B: Engineering, Vol.143, pp. 172-196. 

12) Souza, A.M., 2023, “Efeitos do pósprocessamento por acabamento abrasivo magnético em peças produzidas por manufatura aditiva”. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica), Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, 186 p. 

13) Vieira, R. A. M., 2023, “Estudo da influência da inclinação e curvatura na deposição de peças obtidas por manufatura aditiva por deposição a arco via CMT”. Monografia (Bacharelado em Engenharia Mecânica), Universidade de Brasília, Brasília, Brasil, 80 p 

14) Wu, B., Pan, Z., Ding, D., Cuiuri, D., Li, H., Xu, J. e Norrish, J., 2018, “A review of the wire arc additive manufacturing of metals: properties, defects and quality improvement”. Journal of Manufacturing Processes, Vol.35, pp. 127-139