Análise numérica da resistência mecânica de estruturas porosas produzidas por Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) utilizando o modelo de Gurson

Abstract

Esta dissertação investiga a influência da porosidade inicial e sua evolução no comportamento mecânico de materiais metálicos fabricados por manufatura aditiva (MA), utilizando o modelo de Gurson para prever a iniciação e propagação de danos em corpos de prova produzidos via Laser Powder Bed Fusion (LPBF). A metodologia combina ensaios experimentais de tração uniaxial, simulações numéricas baseadas no modelo de Gurson e o método de identificação paramétrica (PIP) para calibrar parâmetros constitutivos (σy0, σ∞, δ, ξ). Os corpos de prova, fabricados em liga de alumínio AlSi10Mg com diferentes direções de deposição (horizontal e vertical) e níveis de porosidade, foram avaliados para determinar a relação entre densidade, anisotropia e propriedades mecânicas. Os resultados experimentais revelaram que a deposição vertical acelera a fratura devido à concentração de tensões nas interfaces entre camadas, enquanto as simulações numéricas, comparadas com o modelo de von Mises, demonstraram maior precisão do modelo de Gurson na previsão do dano em materiais porosos. A análise da evolução da porosidade destacou o impacto do tamanho e espaçamento de vazios na coalescência e ductilidade. A metodologia proposta foi validada, estabelecendo um padrão confiável para avaliar o comportamento mecânico de materiais fabricados por MA. Os resultados mostram que corpos de prova fabricados por MA na direção vertical exibiram fratura mais precoce, como em V0 (a 0,5 mm de deslocamento) versus H0 (a 0,8 mm). As simulações numéricas com o modelo de Gurson apresentaram menor erro relativo médio em comparação ao modelo von Mises, como mostrado pela Tabela 4.1. A deformação plástica acumulada na fratura (ϵp) foi maior em corpos horizontais, como 0,038 em H0 versus 0,017 em V0. Vazios maiores (0,6 mm) e espaçamentos reduzidos (0,3-0,5 mm) mostram-se potenciais aceleradores da coalescência, reduzindo a ductilidade em até 80% em configurações de baixa densidade (79,06%). Este trabalho contribui para o avanço do projeto de componentes leves e resistentes, com aplicações em setores como aeroespacial e automotivo, e sugere direções para estudos futuros, incluindo a investigação de outras ligas e condições de carregamento dinâmico.