Influência do uso de nanofluidos em manufatura híbrida de peças de aço inox 316L

Abstract

Additive Manufacturing (AM) is one of the pillars of Industry 4.0, as it enables the production of complex geometries in an individualized and flexible manner. The surface quality and the level of residual stresses resulting from the AM process may not meet the requirements of specific projects. Consequently, post-processing can be employed, such as machining, giving rise to the concept known as Hybrid Manufacturing (HM). When combined with the technique of nanolubrification, HM can ensure surface integrity similar to or even superior to conventional manufacturing processes. The main objective of this study was to analyze the influence of a synthetic oil, water, and graphene nanoparticles composed nanofluid in the milling process of austenitic stainless steel AISI 316L specimens, which were manufactured using AM and hot rolling, allowing for a comparison of surface integrity. The machining involved face milling with abundant lubrification, using two different lubrificants - mineral cutting fluid and graphene nanofluid (graphene nanoparticles solubilized in mineral cutting fluid). Two cutting depths, 0.3 mm and 0.6 mm, as well as two cutting speeds, 170 m/min and 210 m/min, were employed. Surface caracterization was performed using scanning electron microscopy (SEM). Residual stress measurements utilized X-ray diffraction, and conventional profilometry was employed for roughness measurements. It was observed that the highest compressive residual stress values (78 MPa) were achieved in AM specimens machined with cutting fluid, greater cutting depth (0.6 mm), and lower cutting speed (170 m/min). The lowest average roughness values (0.19 um) were obtained in rolled specimens machined with cutting fluid without the addition of graphene nanoparticles. Despite AM parts showing characteristic surface flaws of this manufacturing process - porosities - rolled parts exhibited a higher quantity of surface defects.

A manufatura aditiva (MA) é um dos pilares da Indústria 4.0, pois possibilita a fabricação de geometrias complexas de forma individualizada e flexível. A qualidade superficial e o nível de tensões residuais resultantes do processo de MA podem não atender aos requisitos de determinados projetos - com isso, é possível realizar um pós-processamento (usinagem, por exemplo), dando surgimento ao conceito chamada Manufatura Híbrida (MH), que aliada à técnica de nanolubrificação, pode garantir integridade superficial similar ou superior a processos de manufatura convencionais. O objetivo principal deste trabalho foi analisar a influência de um nanofluido composto de óleo sintético, água e nanopartículas de grafeno no processo de fresamento de corpos de prova de aço inoxidável austenítico AISI 316L, que foram fabricados por manufatura aditiva e por laminação a quente, comparando-se a integridade superficial. A usinagem consistiu em um fresamento de faceamento com lubrificação em abundância, empregando-se dois lubrificantes distintos - fluido de corte mineral e nanofluido de grafeno (nanopartículas de grafeno solubilizadas em fluido de corte mineral). Utilizou-se também duas profundidades de corte, 0,3 e 0,6 mm, assim como duas velocidades de corte, 170 m/min e 210 m/min. A caracterização da superfície foi realizada via microscopia eletrônica de varredura (MEV); já na medição das tensões residuais, empregou-se a técnica de difração de raios-X. Por fim, na medição das rugosidades, foi utilizado um rugosímetro convencional. Verificou-se que os maiores módulos de tensão residual compressiva (78 MPa) foram atingidos nos corpos de prova de MA usinados com fluido de corte, maior profundidade de corte (0,6 mm) e menor velocidade de corte (170 m/min). As menores rugosidades médias (0,19 um) foram obtidas nos corpos laminados, usinados com nanofluido de grafeno, maior profundidade de corte (0,6 mm) e maior velocidade de corte (210 m/min). Quanto à micrografia realizada no MEV, observou-se a presença de riscos apenas nas amostras usinadas com fluido de corte sem adição de nanopartículas de grafeno. Apesar das peças de MA terem mostrado falhas superficiais características deste processo de fabricação - as porosidades - as peças laminadas apresentaram maior quantidade de defeitos na superfície.