BR102018015314B1 - ACTIVE COOLING TECHNIQUE FOR ADDITIVE MANUFACTURING - Google Patents

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BR102018015314B1
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Ruham Pablo Reis
Américo Scotti
Leandro João Da Silva
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Universidade Federal de Uberlândia
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing

Abstract

TÉCNICA DE RESFRIAMENTO ATIVO PARA MANUFATURA ADITIVA A presente invenção trata de uma técnica de resfriamento ativo para manufatura aditiva por deposição com energia direcionada (a arco elétrico, LASER ou outras fontes de fusão-deposição de material compatíveis), para fabricação de peças metálicas, baseada na quase-imersão contínua e controlada da preforma em um fluido líquido de resfriamento por todo o período de sua construção dentro de uma cuba. Assim, a taxa de resfriamento da parte não imersa da preforma e a temperatura de interpasse são controladas pela regulagem contínua e controlada do nível da lâmina de fluido de resfriamento e pela troca de calor com sua parte imersa, já em equilíbrio de temperatura com o fluido. Então, promovendo um melhor gerenciamento térmico da preforma é possível obter maior produtividade de fabricação e peças com melhores características mecânicas.ACTIVE COOLING TECHNIQUE FOR ADDITIVE MANUFACTURING The present invention deals with an active cooling technique for additive manufacturing by deposition with directed energy (electric arc, LASER or other compatible material fusion-deposition sources), for the manufacture of metallic parts, based in the continuous and controlled quasi-immersion of the preform in a liquid cooling fluid throughout the entire period of its construction inside a vat. Thus, the cooling rate of the non-immersed part of the preform and the interpass temperature are controlled by the continuous and controlled regulation of the level of the cooling fluid blade and by heat exchange with its immersed part, already in temperature equilibrium with the fluid. . Therefore, by promoting better thermal management of the preform, it is possible to obtain greater manufacturing productivity and parts with better mechanical characteristics.

Description

Campo de invençãoField of invention

[01]. A presente invenção refere-se a uma técnica de resfriamento ativo para manufatura aditiva por deposição com energia direcionada com fusão-deposição de material a arco elétrico, mas não limitada à mesma, para fabricação de peças metálicas, baseada na quase-imersão contínua e controlada da preforma em um fluido líquido de resfriamento por todo o período de sua construção dentro de uma cuba. A taxa de resfriamento da parte não imersa da preforma e a temperatura de interpasse são controladas pela regulagem contínua e controlada do nível da lâmina de fluido de resfriamento e pela troca de calor com sua parte imersa, em contato direto e já em equilíbrio de temperatura com o fluido. O foco é atuar na mitigação dos problemas relacionados ao acúmulo de calor e ao mesmo tempo preservar ou mesmo aumentar a produtividade da manufatura aditiva por fusão-deposição de material a arco elétrico, mas não limitada à mesma.[01]. The present invention relates to an active cooling technique for additive manufacturing by directed energy deposition with electric arc fusion-deposition of material, but not limited thereto, for the manufacture of metallic parts, based on continuous and controlled quasi-immersion of the preform in a liquid cooling fluid for the entire period of its construction inside a vat. The cooling rate of the non-immersed part of the preform and the interpass temperature are controlled by continuous and controlled regulation of the level of the cooling fluid blade and by heat exchange with its immersed part, in direct contact and already in temperature equilibrium with the fluid. The focus is to act on mitigating problems related to heat accumulation and at the same time preserving or even increasing the productivity of additive manufacturing by fusion-deposition of material using an electric arc, but not limited to it.

[02]. Por meio do controle da dissipação ativa/direta e contínua do calor durante a fabricação por manufatura aditiva, a invenção permite, indepentemente da geometria a ser construída, regular favoravelmente características relacionadas às preformas em termos de microestrutura e tamanho/tipo de grão formados, propriedades mecânicas resultantes, distorções, tensões residuais, irregularidades de deposição, oxidação e adesão de respingos, além de emissões tóxicas (fumos metálicos). Além de regular favoravelmente características relacionadas às preformas, a invenção permite preservar ou aumentar a produtividade da manufatura aditiva pelo aumento da velocidade de construção, que pode ocorrer sem ou com menor quantidade de paradas, devido ao resfriamento intenso e contínuo, e/ou com maior taxa de fusão-deposição de material, já que o correspondente aumento de aporte de energia é contrabalanceado por uma maior capacidade de dissipação de calor provida pela estratégia de resfriamento eficiente. Então, promovendo um melhor gerenciamento térmico da preforma é possível obter maior produtividade de fabricação e peças com melhores características mecânicas. A técnica de resfriamento ativo para manufatura aditiva objeto desta invenção, independentemente da geometria visada, alia a capacidade de construir preformas maiores, típica de processos com tecnologia de deposição com energia direcionada, com a capacidade de construir preformas mais regulares, típica de processos com tecnologia de leito de pó.[02]. By controlling active/direct and continuous heat dissipation during manufacturing by additive manufacturing, the invention allows, regardless of the geometry to be constructed, to favorably regulate characteristics related to preforms in terms of microstructure and size/type of grain formed, properties resulting mechanics, distortions, residual stresses, deposition irregularities, oxidation and adhesion of splashes, in addition to toxic emissions (metallic fumes). In addition to favorably regulating characteristics related to preforms, the invention allows preserving or increasing the productivity of additive manufacturing by increasing the construction speed, which can occur without or with fewer stops, due to intense and continuous cooling, and/or with greater material fusion-deposition rate, as the corresponding increase in energy input is counterbalanced by a greater heat dissipation capacity provided by the efficient cooling strategy. Therefore, by promoting better thermal management of the preform, it is possible to obtain greater manufacturing productivity and parts with better mechanical characteristics. The active cooling technique for additive manufacturing object of this invention, regardless of the targeted geometry, combines the ability to build larger preforms, typical of processes with directed energy deposition technology, with the ability to build more regular preforms, typical of processes with technology of dust bed.

Estado da técnicaState of the art

[03]. Nos últimos anos, a maneira de se fabricar produtos, incluindo bens manufaturados, tem se modificado. Para se manter competitivos, fabricantes têm procurado produzir com mais qualidade, mas sempre buscando concomitantemente reduzir os tempos e os custos de produção. Nesta linha se enquadram as rotas diretas de manufatura rápida, que envolvem processos subtrativos e aditivos. Os subtrativos, mais tradicionais, se baseiam na retirada de material para se chegar ao produto final, e consistem tipicamente de usinagem por comando numérico computadorizado (CNC). Já os aditivos, mais recentes, se baseiam na adição de material, e englobam uma gama de processos de fabricação. De maneira ampla, esta tecnologia é denominada de manufatura aditiva, na qual, por definição, produtos são construídos camada por camada, utilizando tecnologias de adição de material com alto grau de automação, a partir de projetos auxiliados por computador (CAD). As camadas são formadas por passe único ou passes múltiplos de deposição de material e, então, são como que empilhadas sequencialmente sobre um substrato apoiado sobre a plataforma de construção para chegar à geometria, pelo menos aproximada, do produto. A manufatura aditiva pode ainda ser utilizada para modificar e, em caso de danos, recuperar peças. Com a demanda por manufatura aditiva com foco em aplicações finais dos produtos, inclusive para situações extremas em termos de desempenho, e não apenas para concepção de protótipos (mais propício ao domínio da impressão tridimensional de polímeros, conhecida como 3D Printing), a viabilização de peças metálicas por esta rota de manufatura tem sido alvo de enormes esforços de pesquisa, desenvolvimento e inovação no setor de fabricação mecânica.[03]. In recent years, the way products are manufactured, including manufactured goods, has changed. To remain competitive, manufacturers have sought to produce with higher quality, but always seeking to reduce production times and costs. This line includes direct rapid manufacturing routes, which involve subtractive and additive processes. Subtractive, more traditional, are based on the removal of material to reach the final product, and typically consist of computer numerical control (CNC) machining. Additives, which are more recent, are based on the addition of material, and encompass a range of manufacturing processes. Broadly speaking, this technology is called additive manufacturing, in which, by definition, products are built layer by layer, using material addition technologies with a high degree of automation, based on computer-aided design (CAD). The layers are formed by a single pass or multiple passes of material deposition and are then stacked sequentially on a substrate supported on the construction platform to achieve at least an approximate geometry of the product. Additive manufacturing can also be used to modify and, in the event of damage, recover parts. With the demand for additive manufacturing focusing on final product applications, including for extreme situations in terms of performance, and not just for designing prototypes (more conducive to the domain of three-dimensional printing of polymers, known as 3D Printing), the feasibility of Metal parts through this manufacturing route have been the target of enormous research, development and innovation efforts in the mechanical manufacturing sector.

[04]. Uma grande vantagem da manufatura aditiva reside na economia de matéria-prima. Ao invés de se partir de um volume de material em que partes serão removidas e descartadas, se deposita basicamente o material necessário para formar o produto, ou seja, o volume de matéria-prima consumido é praticamente igual ou pelo menos próximo ao volume do produto fabricado. Assim, a manufatura aditiva representa uma solução de fabricação ambientalmente correta, já que o desperdício de material em forma de cavacos pode ser drasticamente reduzido, assim como o gasto de energia e outros insumos com operações de usinagem. Alguns processos de manufatura aditiva são capazes de fabricar produtos para aplicação imediata, gerando peças que preenchem os requisitos (geometria e propriedades) para operação de acordo com o projetado. Já outros processos constroem preformas, ou seja, partes muito próximas à forma final das respectivas peças, mas que precisam ainda de processamento para preencher as exigências (geometria e propriedades) para operação. Outra vantagem da manufatura aditiva é a capacidade de fabricar peças com geometrias extremamente complexas, difíceis/impossíveis de serem obtidas por meios tradicionais, e projetadas com foco na eficiência de desempenho de funções e não em limitações dos processos de fabricação convencionais. A customização representa uma forte característica dos projetos de peças a serem fabricadas por esta rota de manufatura direta. A manufatura aditiva permite ainda produzir peças em materiais híbridos e formadas por ligas metálicas produzidas in-situ (durante a fabricação pela combinação de arames e/ou pós de diferentes materiais). Por todas essas razões, a manufatura aditiva tem atraído a atenção de vários setores industriais e ganhado cada vez mais espaço.[04]. A major advantage of additive manufacturing lies in saving raw materials. Instead of starting from a volume of material in which parts will be removed and discarded, the material necessary to form the product is basically deposited, that is, the volume of raw material consumed is practically equal to or at least close to the volume of the product. manufactured. Thus, additive manufacturing represents an environmentally friendly manufacturing solution, as material waste in the form of chips can be drastically reduced, as can the expenditure of energy and other inputs with machining operations. Some additive manufacturing processes are capable of manufacturing products for immediate application, generating parts that meet the requirements (geometry and properties) for operation as designed. Other processes build preforms, that is, parts very close to the final shape of the respective parts, but which still need processing to meet the requirements (geometry and properties) for operation. Another advantage of additive manufacturing is the ability to manufacture parts with extremely complex geometries, difficult/impossible to be obtained by traditional means, and designed with a focus on functional performance efficiency and not on limitations of conventional manufacturing processes. Customization represents a strong characteristic of part designs to be manufactured using this direct manufacturing route. Additive manufacturing also allows the production of parts in hybrid materials and formed by metallic alloys produced in-situ (during manufacturing by combining wires and/or powders from different materials). For all these reasons, additive manufacturing has attracted the attention of various industrial sectors and is gaining more and more space.

[05]. Vários processos podem ser utilizados para manufatura aditiva. Em se tratando da fabricação de peças metálicas, os principais são os baseados em tecnologia de leito de pó (powder bed), como sinterização ou fusão seletiva por LASER e fusão seletiva por feixe de elétrons. Nestes processos, camadas finas de pó metálico são espalhadas (depositadas) uniformemente sobre uma plataforma de construção, dentro de uma câmara com gás inerte ou à vácuo, e processadas (sinterizadas ou fundidas) de maneira seletiva (de acordo com fatias/planos horizontais retiradas do projeto em CAD) e sequencial, ou seja, tem-se primeiro a deposição do material em uma camada e, somente depois, sua sinterização/fusão. Estes processos de deposição-sinterização/fusão de material permitem produzir peças de geometria complexa e com grande precisão dimensional, com propriedades mecânicas otimizadas, devido às possibilidades metalúrgicas advindas de diferentes pós. Entretanto, a tecnologia de leito de pó demanda fontes de energia de elevado custo, o que torna equipamentos dedicados muito caros e fora do alcance da maioria das empresas. Além disto, em geral trata-se de uma tecnologia de construção lenta e para peças de dimensões limitadas (contidas pelas câmaras) e cujos consumíveis são de alto custo.[05]. Several processes can be used for additive manufacturing. When it comes to manufacturing metal parts, the main ones are those based on powder bed technology, such as sintering or selective melting by LASER and selective melting by electron beam. In these processes, thin layers of metallic powder are spread (deposited) uniformly on a construction platform, inside a chamber with inert gas or vacuum, and processed (sintered or melted) selectively (according to slices/horizontal planes taken of the project in CAD) and sequential, that is, the material is first deposited in one layer and, only then, its sintering/fusion. These material deposition-sintering/fusion processes allow the production of parts with complex geometry and great dimensional precision, with optimized mechanical properties, due to the metallurgical possibilities arising from different powders. However, powder bed technology requires high-cost energy sources, which makes dedicated equipment very expensive and beyond the reach of most companies. Furthermore, in general it is a slow construction technology and for parts of limited dimensions (contained by the chambers) and whose consumables are high in cost.

[06]. Como alternativa, existem os processos baseados em tecnologia de deposição com energia direcionada (directed energy deposition), que executam a fusão e, imediatamente (quase que concomitantemente), a deposição do material assistidas por uma fonte de calor intensa e concentrada, geralmente utilizados para a fabricação de preformas. Neste caso, faz-se uso de processos tipicamente de soldagem para depositar camadas de metal fundido, seguindo trajetórias definidas pela geometria da peça a ser fabricada, até que se tenha, com a constante solidificação, um formato bem próximo do produto final, mas com algum excedente nas dimensões, apenas necessitando de etapas de usinagem, geralmente para desbaste fino e acabamento. No caso destes processos de fusão-deposição de material, pode-se utilizar fontes de energia especiais (LASER ou feixe de elétrons), mas processos a arco elétrico, considerados convencionais, e, portanto, já mais difundidos na indústria em geral e de menor custo, como TIG e MIG/MAG e mesmo Plasma e Arame Tubular, podem também ser utilizados. Apesar de não conferir uma resolução tão boa quanto as obtidas com LASER ou feixe de elétrons, principalmente com tecnologias de leito de pó, os processos de manufatura aditiva a arco elétrico permitem as mais elevadas taxas de deposição, sendo ideais para preformas de grandes dimensões e quando não há demanda por geometrias muito delgadas e/ou com baixo aporte de calor. Entretanto, tais processos estão sempre associados a uma transferência e/ou acúmulo de calor indesejável na preforma. Além disso, com esses processos a dissipação de calor é significativamente deteriorada com o aumento da altura da preforma em construção, o que torna o acúmulo de calor ainda mais problemático, e então a solidificação do metal fundido depositado e seu resfriamento podem ser controlados apenas de modo limitado.[06]. As an alternative, there are processes based on directed energy deposition technology, which perform the fusion and, immediately (almost simultaneously), the deposition of the material assisted by an intense and concentrated heat source, generally used for the manufacture of preforms. In this case, typical welding processes are used to deposit layers of molten metal, following trajectories defined by the geometry of the part to be manufactured, until, with constant solidification, a shape very close to the final product is obtained, but with some excess in dimensions, only requiring machining steps, generally for fine grinding and finishing. In the case of these material fusion-deposition processes, special energy sources (LASER or electron beam) can be used, but electric arc processes, considered conventional, and, therefore, already more widespread in industry in general and of lesser cost, such as TIG and MIG/MAG and even Plasma and Tubular Wire, can also be used. Despite not providing a resolution as good as that obtained with LASER or electron beam, especially with powder bed technologies, electric arc additive manufacturing processes allow the highest deposition rates, being ideal for large preforms and when there is no demand for very thin geometries and/or low heat input. However, such processes are always associated with an undesirable transfer and/or accumulation of heat in the preform. Furthermore, with these processes heat dissipation is significantly deteriorated with increasing height of the preform under construction, which makes heat accumulation even more problematic, and then the solidification of the deposited molten metal and its cooling can only be controlled by limited mode.

[07]. Devido às altas temperaturas de fusão, e depois nas quais ocorre a solidificação dos materiais, e a partir das quais são aquecidas as regiões vizinhas dentro da preforma, a microestrutura formada em manufatura aditiva a arco elétrico é significativamente diferente das encontradas em materiais conformados mecanicamente (laminados, forjados, etc.) e até fundidos. As microestruturas finais e a integridade do material definem as propriedades mecânicas resultantes. O aumento exacerbado de temperatura e um fluxo de calor unidirecional podem também causar um crescimento indesejável no tamanho de grão da preforma, deteriorando seu desempenho mecânico em aplicações gerais. A literatura corrente (Henckell, P., Günther, K., Ali, Y., Bergmann, J.P., Scholz, J., Forêt, P., The influence of gas cooling in context of wire arc additive manufacturing - a novel strategy of affecting grain structure and size. TMS 2017 146th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51493-2_15) corrobora este aspecto, citando que as preformas podem sofrer com grãos grosseiros e em constante crescimento ao longo do processo de construção. Assim, o calor excessivo pode levar à formação de grandes grãos colunares que crescem na direção da altura da preforma; grãos finos e equiaquixiais conferem maior resistência mecânica de forma isotrópica (com igualdade de propriedades em todas as direções) em operacões próximas da temperatura ambiente, situação de trabalho da maioria dos componentes metálicos.[07]. Due to the high melting temperatures, after which solidification of materials occurs, and from which neighboring regions within the preform are heated, the microstructure formed in electric arc additive manufacturing is significantly different from those found in mechanically formed materials ( rolled, forged, etc.) and even cast. The final microstructures and integrity of the material define the resulting mechanical properties. The exacerbated increase in temperature and a unidirectional heat flow can also cause an undesirable growth in the grain size of the preform, deteriorating its mechanical performance in general applications. Current literature (Henckell, P., Günther, K., Ali, Y., Bergmann, J.P., Scholz, J., Forêt, P., The influence of gas cooling in context of wire arc additive manufacturing - a novel strategy of affecting grain structure and size. TMS 2017 146th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51493-2_15) corroborates this aspect, citing that preforms can suffer from grain coarse and constantly growing throughout the construction process. Thus, excessive heat can lead to the formation of large columnar grains that grow towards the height of the preform; Fine and equiaxial grains provide greater mechanical resistance in an isotropic way (with equal properties in all directions) in operations close to room temperature, the working situation of most metallic components.

[08]. Além do mais, a geração de temperaturas muito elevadas na preforma em construção pode causar sua oxidação excessiva, resultando em fragilidade mecânica devido a inclusão de óxidos (perda de ductilidade, de resistência à fadiga, etc.) e/ou difuldades na etapa de usinagem pela possível elevada dureza dos óxidos formados. A literatura (Wu, B., Ding, D., Pan, Z., Cuiuri, C., Li, H., Han, J., Fei, Z., Effects of heat accumulation on the arc characteristics and metal transfer behavior in wire arc additive manufacturing of Ti6Al4V. Journal of Materials Processing Technology. 2017. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.07.037), avaliando a manufatura aditiva com processo TIG, relata que a oxidação aumenta devido ao acúmulo de calor com o aumento da altura de construção na preforma. Segundo a mesma fonte, a temperatura de interpasse, i.e., a temperatura mínima da camada (deposição única ou múltipla) anterior antes da nova passagem da fonte de aporte de energia e de deposição de material, é um fator chave na determinação do acúmulo de calor. Em deposições suscessivas de material com este processo, observa-se que a temperatura média do substrato experimenta um aumento rápido durante as primeiras passagens da fonte de calor e, em seguida, atinge um valor de equilíbrio. Em contraste, a temperatura de interpasse continua a subir ao longo das demais camadas (menor perda de calor). Assim, durante a construção, a diferença das temperaturas de interpasse subseqüentes determina o acúmulo de calor na preforma, sendo que este aumenta quase que linearmente com o número de passes de deposição. O acúmulo de calor é atestado como um fator crítico que influencia a estabilidade do processo de construção em termos de geometria, defeitos de deposição, evolução microestrutural e propriedades mecânicas das preformas obtidas. Naturalmente, a temperatura de interpasse poderia ser a ambiente, mas isso demandaria um longo tempo de espera entre a execução de cada um dos passes de deposição para formar as camadas e, asssim, a preforma (menor produtividade).[08]. Furthermore, the generation of very high temperatures in the preform under construction can cause excessive oxidation, resulting in mechanical fragility due to the inclusion of oxides (loss of ductility, fatigue resistance, etc.) and/or difficulties in the machining stage. due to the possible high hardness of the oxides formed. The literature (Wu, B., Ding, D., Pan, Z., Cuiuri, C., Li, H., Han, J., Fei, Z., Effects of heat accumulation on the arc characteristics and metal transfer behavior in wire arc additive manufacturing of Ti6Al4V. Journal of Materials Processing Technology. 2017. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.07.037), evaluating additive manufacturing with the TIG process, reports that oxidation increases due to heat accumulation with increasing construction height in the preform. According to the same source, the interpass temperature, i.e., the minimum temperature of the previous layer (single or multiple deposition) before the new passage of the source of energy input and material deposition, is a key factor in determining heat accumulation . In successive depositions of material with this process, it is observed that the average temperature of the substrate experiences a rapid increase during the first passes of the heat source and then reaches an equilibrium value. In contrast, the interpass temperature continues to rise throughout the remaining layers (less heat loss). Thus, during construction, the difference in subsequent interpass temperatures determines the accumulation of heat in the preform, which increases almost linearly with the number of deposition passes. Heat accumulation is attested as a critical factor that influences the stability of the construction process in terms of geometry, deposition defects, microstructural evolution and mechanical properties of the preforms obtained. Naturally, the interpass temperature could be ambient, but this would require a long waiting time between the execution of each of the deposition passes to form the layers and, thus, the preform (lower productivity).

[09]. A literatura (Lei, Y., Xiong, J., Li, R., Effect of inter layer idle time on thermal behavior for multi-layer single-pass thin-walled parts in GMAW-based additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. https://doi.org/10.1007/s00170-018-1699-1) também cita que componentes fabricados via manufatura aditiva por fusão-deposição de material a arco elétrico passam tipicamente por muitos ciclos de reaquecimento, resultando em um complexo comportamento térmico de interação entre o passe de deposição atual e os anteriores (com consequência sobre a microestrutura formada). Além disso, a mesma fonte ressalta que este comportamento térmico pode ser significativamente afetado por muitos parâmetros do processo de fabricação. Temperatura de pré-aquecimento do substrato, sequência de deposição e tempo de interpasse (intervalo de tempo entre cada camada ou passe único de deposição), por exemplo, são listados por afetarem muito os ciclos térmicos e interferirem na distribuição de temperatura e microestrutura formada. Além disso, especialmente na manufatura aditiva com processo MIG/MAG, é destacado que elevados aporte de energia e altas taxas de deposição de material muitas vezes degradam a qualidade superficial das preformas, além de provocarem elevadas tensões e distorções térmicas. A literatura (Suryakumar, S., Karunakaran, K.P., Chandrasekhar, U., Somashekara, M.A., A study of the mechanical properties of objects built through weld-deposition, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2013. https://doi.org/10.1177/0954405413482122) ainda mostra que durante a manufatura aditiva com processo MIG/MAG a carga térmica periódica produz valores de dureza não homogêneos com o aumento da altura na preforma.[09]. The literature (Lei, Y., Xiong, J., Li, R., Effect of inter layer idle time on thermal behavior for multi-layer single-pass thin-walled parts in GMAW-based additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. https://doi.org/10.1007/s00170-018-1699-1) also mentions that components manufactured via additive manufacturing by electric arc fusion-deposition of material typically go through many reheating cycles, resulting in a complex thermal interaction behavior between the current deposition pass and the previous ones (with consequences on the microstructure formed). Furthermore, the same source highlights that this thermal behavior can be significantly affected by many parameters of the manufacturing process. Substrate preheating temperature, deposition sequence and interpass time (time interval between each layer or single deposition pass), for example, are listed as they greatly affect thermal cycles and interfere with the temperature distribution and microstructure formed. Furthermore, especially in additive manufacturing with the MIG/MAG process, it is highlighted that high energy input and high material deposition rates often degrade the surface quality of the preforms, in addition to causing high stresses and thermal distortions. The literature (Suryakumar, S., Karunakaran, K.P., Chandrasekhar, U., Somashekara, M.A., A study of the mechanical properties of objects built through weld-deposition, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture . 2013. https://doi.org/10.1177/0954405413482122) also shows that during additive manufacturing with the MIG/MAG process, periodic thermal load produces non-homogeneous hardness values with increasing preform height.

[010]. O descontrole no acúmulo/dissipação de calor leva também a gradientes térmicos variados, que, por sua vez, geram campos de tensões térmicas, que podem culminar em distorções da preforma e/ou permanecer na mesma como tensões residuais. As primeiras, obviamente podem levar a perdas de qualidade de forma e dimensional e dificultar a finalização da peça por usinagem. As últimas, dependendo da natureza e das solicitações externas, podem incorrer no comprometimento de desempenho, por exemplo em fadiga. Essas tensões internas ocorrem devido às contrações e expansões térmicas não uniformes que são experimentadas pela preforma à medida de seu aquecimento e resfriamento. Podem resultar em distorção ou colapso da estrutura, se localmente maiores que o limite elástico do material utilizado. Do contrário, em tensões residuais concentradas em regiões de maior restrição à deformação. E até mesmo em trincas, se os níveis de tensões internas ultrapassarem o limite de ruptura local do material. Segundo a literatura (Soul, F., Hamdy, N., Numerical simulation of residual stress and strain behavior after temperature modification. Welding Processes. 2012. https://dx.doi.org/10.5772/47745), além de ocorrerem em nível macroscópico, por conseqüência de aquecimento e resfriamento não uniformes, as tensões residuais geradas termicamente podem ser também microscópicas pelo desajuste dos coeficientes de expansão e contração térmica entre diferentes fases formadas. Além das distorções poderem ocorrer durante a manufatura aditiva, podem também surgir durante ciclos de tratamento térmico necessários após a construção da preforma ou finalização da peça para corrigir outros incovenientes do acúmulo de calor, como, por exemplo, formação de microestrutura indesejável.[010]. Uncontrolled heat accumulation/dissipation also leads to varied thermal gradients, which, in turn, generate thermal stress fields, which can culminate in distortions of the preform and/or remain there as residual stresses. The first can obviously lead to loss of shape and dimensional quality and make it difficult to finish the part by machining. The latter, depending on the nature and external requests, may result in compromised performance, for example fatigue. These internal stresses occur due to non-uniform thermal contractions and expansions that are experienced by the preform as it heats and cools. They can result in distortion or collapse of the structure, if locally greater than the elastic limit of the material used. Otherwise, in residual stresses concentrated in regions of greater restriction to deformation. And even in cracks, if internal stress levels exceed the local rupture limit of the material. According to the literature (Soul, F., Hamdy, N., Numerical simulation of residual stress and strain behavior after temperature modification. Welding Processes. 2012. https://dx.doi.org/10.5772/47745), in addition to occurring in macroscopic level, as a consequence of non-uniform heating and cooling, thermally generated residual stresses can also be microscopic due to the mismatch of the coefficients of thermal expansion and contraction between different phases formed. In addition to distortions that may occur during additive manufacturing, they may also arise during heat treatment cycles necessary after the construction of the preform or completion of the part to correct other drawbacks of heat accumulation, such as, for example, the formation of undesirable microstructure.

[011]. Tem-se ainda em manufatura aditiva o problema de irregularidade de forma das camadas depositadas, algo diretamente determinante no grau de necessidade de passes de usinagem antes da peça ser posta em aplicação. Um termo amplo, derivado do buy-to-fly (comprar-para-voar) da indústria aeroespacial, denomidado buy-to-apply (comprar-para-aplicar), que mede a razão entre massa de matéria-prima necessária para construir a preforma e massa final da peça aplicada após usinagem, resume bem a importância de se obter preformas com boa regularidade; quanto mais irregulares são as preformas construídas, mais material de adição é consumido (comprado) para deixar excesso para sobrecorte e maior é a necessidade de usinagem para chegar às dimensões finais e acabamento adequados à aplicação da peça. Preformas com melhor regularidade resultam em maior volume efetivo, ou seja, em maior aproveitamento do volume de material depositado para a geometria das peças. As irregularidades incorrem diretamente da dificuldade de se controlar a poça de fusão de maneira estável sobre a preforma, principalmente em deposições sobre preformas altas e estreitas e com elevado aporte de energia e/ou de massa. A literatura (Wang, J.F., Sun, Q.J., Wang, H., Liu, J.P., Feng, J.C., Effect of location on microstructure and mechanical properties of additive layer manufactured Inconel 625 using gas tungsten arc welding. Materials Science and Engineering: A. 2016. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.09.015) salienta inclusive que a poça de fusão cresce à medida do anvanço do número de passes de deposição (camadas), o que é justificado pelo acúmulo de calor com o aumento de altura da preforma (restrição do fluxo de calor no sentido do substrato). Também é atestada a diferença entre as fases formadas entre diferentes camadas, o que resulta em heterogenia da preforma quanto a propriedades mecânicas. Mas geralmente, para se obter maior produtividade, faz-se necessário operar com maior aporte de energia e/ou de massa, o que pode agravar ainda mais os problemas com o acúmulo de calor. A literatura (Henckell, P., Günther, K., Ali, Y., Bergmann, J.P., Scholz, J., Forêt, P., The influence of gas cooling in context of wire arc additive manufacturing - a novel strategy of affecting grain structure and size. TMS 2017 146th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51493-2_15) cita que o aumento de energia da fonte de fusão-deposição afeta negativamente a largura da preforma e aumenta o trabalho seguinte na etapa de usinagem, e que propriedades mecânicas homogêneas, incluindo elevada resistência à tração, só podem ser alcançadas com baixos aportes de energia. E ainda, segundo a mesma referência, fontes de energia para manufatura aditiva operando com altas taxas de deposição de material geram temperaturas muito elevadas e vaporizam parte do material fundido, formando vapores e fumos metálicos, geralmente tóxicos, que são liberados no ambiente de trabalho.[011]. In additive manufacturing, there is also the problem of irregular shape of the deposited layers, something directly determining the degree of need for machining passes before the part is put into use. A broad term, derived from the aerospace industry's buy-to-fly, called buy-to-apply, which measures the ratio of mass of raw materials required to build the preform and final mass of the part applied after machining, sums up the importance of obtaining preforms with good regularity; the more irregular the preforms are built, the more filler material is consumed (purchased) to leave excess for overcutting and the greater the need for machining to reach the final dimensions and finish suitable for the part's application. Preforms with better regularity result in greater effective volume, that is, greater use of the volume of material deposited for the geometry of the parts. Irregularities arise directly from the difficulty of controlling the melt pool in a stable manner on the preform, especially in depositions on tall and narrow preforms and with a high input of energy and/or mass. The literature (Wang, J.F., Sun, Q.J., Wang, H., Liu, J.P., Feng, J.C., Effect of location on microstructure and mechanical properties of additive layer manufactured Inconel 625 using gas tungsten arc welding. Materials Science and Engineering: A . 2016. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.09.015) even highlights that the molten pool grows as the number of deposition passes (layers) increases, which is justified by the accumulation of heat with increasing preform height (restriction of heat flow towards the substrate). The difference between the phases formed between different layers is also attested, which results in heterogeneity of the preform in terms of mechanical properties. But generally, to obtain greater productivity, it is necessary to operate with a greater input of energy and/or mass, which can further aggravate problems with heat accumulation. The literature (Henckell, P., Günther, K., Ali, Y., Bergmann, J.P., Scholz, J., Forêt, P., The influence of gas cooling in context of wire arc additive manufacturing - a novel strategy of affecting grain structure and size. TMS 2017 146th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51493-2_15) mentions that the increase in energy from the fusion-deposition source affects negatively the width of the preform and increases the following work in the machining stage, and that homogeneous mechanical properties, including high tensile strength, can only be achieved with low energy inputs. Furthermore, according to the same reference, energy sources for additive manufacturing operating at high material deposition rates generate very high temperatures and vaporize part of the molten material, forming metallic vapors and fumes, generally toxic, which are released into the work environment.

[012]. Assim, na manufatura aditiva de preformas e peças metálicas, a falta de controle do processo de solidificação e cristalização do material dificulta obter a geometria e as propriedades mecânicas desejadas. E então, geralmente o que é produzido fica mais aquém de satisfazer adequadamente os requisitos para aplicação direta e imediata, tornando a usinagem e tratamentos térmicos mais presentes para as correções necessárias. Logo, para se viabilizar comercialmente a manufatura aditiva com elevado aporte de energia e/ou de massa, é de suma importância promover o gerenciamento térmico da preforma, por meio do controle da aplicação, distribuição e remoção do calor, antes, durante e após a construção, para controlar a microestrutura e tamanho/tipo de grão formados, as propriedades mecânicas resultantes, mitigar as distorções e tensões residuais, irregularidades de deposição, oxidação, adesão de respingos e até mesmo emissões tóxicas. Talvez a forma mais óbvia de minimizar os problemas relacionados ao superaquecimento da preforma é aguardar pelo resfriamento da mesma após cada passe de deposição até uma temperatura adequada antes da execução do próximo passe, mas isso pode demandar muito tempo, sobretudo em deposições com elevados aportes de energia e/ou de massa, e não seria nada produtivo em termos de velocidade de construção.[012]. Thus, in the additive manufacturing of preforms and metallic parts, the lack of control over the solidification and crystallization process of the material makes it difficult to obtain the desired geometry and mechanical properties. And so, generally what is produced falls short of adequately satisfying the requirements for direct and immediate application, making machining and heat treatments more present for the necessary corrections. Therefore, to make additive manufacturing with high energy and/or mass input commercially viable, it is extremely important to promote thermal management of the preform, through control of the application, distribution and removal of heat, before, during and after processing. construction, to control the microstructure and grain size/type formed, the resulting mechanical properties, mitigate distortions and residual stresses, deposition irregularities, oxidation, splash adhesion and even toxic emissions. Perhaps the most obvious way to minimize problems related to overheating of the preform is to wait for it to cool down after each deposition pass to a suitable temperature before executing the next pass, but this can take a long time, especially in depositions with high inputs of energy and/or mass, and would not be productive at all in terms of construction speed.

[013]. Diferentes abordagens de gerenciamento térmico para manufatura aditiva, seja por meio de resfriamento e/ou aquecimento aplicado a preformas e peças, e mesmo para processos de soldagem correlatos, têm sido desenvolvidas com foco na mitigação de problemas relacionados à aplicação localizada e ao acúmulo de calor. Assim, problemas com microestrutura e tamanho/tipo de grão formados, propriedades mecânicas resultantes, distorções, tensões residuais, irregularidades de deposição, oxidação e emissões tóxicas podem ser contornados, mesmo que parcialmente.[013]. Different thermal management approaches for additive manufacturing, whether through cooling and/or heating applied to preforms and parts, and even for related welding processes, have been developed with a focus on mitigating problems related to localized application and heat accumulation. . Thus, problems with microstructure and size/type of grain formed, resulting mechanical properties, distortions, residual stresses, deposition irregularities, oxidation and toxic emissions can be overcome, even partially.

[014]. Em geral é possível classificar as abordagens de gerenciamento térmico para manufatura aditiva como ativas ou passivas. No gerenciamento térmico passivo, o agente de resfriamento e/ou aquecimento atua apenas na plataforma de construção e/ou substrato antes, durante e/ou depois do período de construção, ou seja, o controle de temperatura da preforma ou peça é realizado de maneira indireta através de um elemento intermediário (plataforma de construção e/ou substrato), o que limita o alcance dos efeitos desta abordagem. Já o gerenciamento térmico ativo, em contraste com o passivo, consiste em atuar de maneira acentuada sobre as características da preforma ou peça por contato direto, total ou parcial, com o agente de resfriamento e/ou aquecimento, geralmente um fluido, durante e/ou depois do período de construção.[014]. In general, it is possible to classify thermal management approaches for additive manufacturing as active or passive. In passive thermal management, the cooling and/or heating agent acts only on the construction platform and/or substrate before, during and/or after the construction period, i.e., the temperature control of the preform or part is carried out in a manner indirect through an intermediate element (building platform and/or substrate), which limits the scope of the effects of this approach. Active thermal management, in contrast to passive, consists of acting sharply on the characteristics of the preform or part through direct contact, total or partial, with the cooling and/or heating agent, generally a fluid, during and/or or after the construction period.

[015]. A patente US7326377B2, em uma abordagem de gerenciamento térmico do tipo passiva/indireta para moderar o calor na preforma e suas consequências, trata de um sistema para manufatura aditiva a arco elétrico que faz uso de um bloco de extração ou imposição de calor, com circulação interna de fluido ao redor de aletas, acoplado à plataforma de construção. No caso de extração de calor, o fluido de resfriamento utilizado é preferencialmente um líquido substancialmente mais frio do que o próprio bloco, podendo ser basicamente água, mas possivelmente glicol, misturas de glicol e água e até mesmo gases que assumam estado líquido em temperaturas muito abaixo daquela do ambiente, como nitrogênio líquido ou hélio. No caso de imposição de calor, dispositivos de aquecimento podem ser incorporados no bloco ou utilizados para aquecer o fluido circulante. Um sistema de controle de circulação de fluido fornece um mecanismo para induzir altas taxas de resfriamento ou aquecimentto à medida que matéria-prima fundida é depositada sobre o substrato. Como vantagens oferecidas são apontados o controle de oxidação e do tamanho de grão da preforma, o que permite otimizar a resistência mecânica e dutilidade da peça. Entretanto, como o gerenciamento térmico utilizado é passivo/indireto, existe a limitação da extensão dos efeitos, que ficam restritos a preformas de altura reduzida ou a camadas de níveis mais próximos do bloco de controle de temperatura, portanto do substrato. Já a invenção aqui apresentada realiza um resfriamento ativo/direto, por conseguinte mais eficiente, e contínuo da preforma (em todos os passes de deposição, seja qual for a quantidade de camadas) sempre próximo do nível de aporte de energia e de deposição de material, o que aumenta a capacidade de controlar o acúmulo de calor e suas diversas consequências deletérias, inclusive em termos de granulometria e oxidação da peça.[015]. Patent US7326377B2, on a passive/indirect thermal management approach to moderate heat in the preform and its consequences, deals with a system for electric arc additive manufacturing that makes use of a heat extraction or imposition block, with circulation internal fluid around fins, coupled to the build platform. In the case of heat extraction, the cooling fluid used is preferably a liquid substantially colder than the block itself, which can be basically water, but possibly glycol, mixtures of glycol and water and even gases that assume a liquid state at very high temperatures. below that of the environment, such as liquid nitrogen or helium. In the case of heat imposition, heating devices can be incorporated into the block or used to heat the circulating fluid. A fluid circulation control system provides a mechanism for inducing high rates of cooling or heating as molten raw material is deposited onto the substrate. The advantages offered include control of oxidation and grain size of the preform, which allows optimizing the mechanical strength and ductility of the part. However, as the thermal management used is passive/indirect, there is a limitation on the extent of the effects, which are restricted to preforms of reduced height or to layers at levels closer to the temperature control block, therefore to the substrate. The invention presented here performs active/direct, therefore more efficient, and continuous cooling of the preform (in all deposition passes, regardless of the number of layers) always close to the level of energy input and material deposition. , which increases the ability to control the accumulation of heat and its various harmful consequences, including in terms of particle size and oxidation of the part.

[016]. Nessa mesma linha de ação passiva/indireta, a patente US2010242843A1 versa sobre um mandril (suporte para preformas de revolução) utilizado como plataforma de construção para manufatura aditiva a arco elétrico, LASER ou feixe de elétrons. Para resfriar a preforma em construção, este mandril tem condutividade térmica maior do que a do material de deposição e conta com canais internos para passagem de fluido de resfriamento. Como vantagens alcançadas são citadas a rapidez de fabricação da preforma e a obtenção de propriedades mecânicas melhoradas, mesmo que restringidas a performas de altura limitada ou a camadas mais próximas do mandril. A invenção aqui apresentada permite, além de também melhorar as propriedades mecânicas, mas não importando as dimensões da preforma, aumentar a produtividade ainda mais pelo aumento da velocidade de construção da preforma (sem paradas e com resfriamento mais intenso) e de fabricação da peça (menos usinagem por melhor regularidade das preformas) e/ou por poder operar com maior taxa de fusão-deposição de material, que tem o correspondente aumento de aporte de energia contrabalanceado por uma maior capacidade de dissipação de calor provida por uma estratégia de resfriamento mais eficiente.[016]. In the same line of passive/indirect action, patent US2010242843A1 deals with a mandrel (support for rotating preforms) used as a construction platform for electric arc, LASER or electron beam additive manufacturing. To cool the preform under construction, this mandrel has a thermal conductivity greater than that of the deposition material and has internal channels for the passage of cooling fluid. The advantages achieved include the speed of manufacturing the preform and the achievement of improved mechanical properties, even if restricted to performances of limited height or layers closer to the mandrel. The invention presented here allows, in addition to improving the mechanical properties, regardless of the dimensions of the preform, to increase productivity even further by increasing the speed of building the preform (without stops and with more intense cooling) and manufacturing the part ( less machining due to better preform regularity) and/or being able to operate with a higher material fusion-deposition rate, which has a corresponding increase in energy input counterbalanced by a greater heat dissipation capacity provided by a more efficient cooling strategy .

[017]. Ainda, a patente CN107498043A versa sobre a utilização de resfriamento da plataforma de construção em manufatura aditiva, mas por fusão-deposição de arame metálico por feixe de elétrons. O controle do resfriamento indireto e contínuo da preforma, por meio de circulação interna de fluido na plataforma de construção, ocorre em malha fechada baseado no monitoramento de sua temperatura. Assim, efeitos negativos da baixa pressão sobre a fusão e solidificação do material (espalhamento da poça de fusão, baixa dissipação de calor, etc.), inerentes à utilização compulsória de alto vácuo na câmara de construção por feixe de elétrons, são minimizados. Apesar de não poder ser utilizada em manufatura aditiva por feixe de elétrons, devido a dificuldades de interação entre o fluido líquido de refrigeração e o alto nível de vácuo, a invenção aqui apresentada pode agir de modo similar, mas em maior extensão, para outros processos que operam em pressão ambiente ou próxima dela.[017]. Furthermore, patent CN107498043A deals with the use of cooling of the construction platform in additive manufacturing, but by fusion-deposition of metallic wire by electron beam. The control of indirect and continuous cooling of the preform, through internal fluid circulation on the construction platform, occurs in a closed loop based on monitoring its temperature. Thus, negative effects of low pressure on the melting and solidification of the material (spreading of the melting pool, low heat dissipation, etc.), inherent to the compulsory use of high vacuum in the electron beam construction chamber, are minimized. Although it cannot be used in electron beam additive manufacturing, due to difficulties in interaction between the liquid cooling fluid and the high level of vacuum, the invention presented here can act in a similar way, but to a greater extent, for other processes. operating at or near ambient pressure.

[018]. Já a patente US20170056975A1 inclui, como parte de seu aparato, um mecanismo externo para controle de calor que é posicionado junto à superfície inferior da plataforma de construção para então formar um perfil de temperatura em peças em fabricação por manufatura aditiva em leito de pó. Uma bobina de indução abaixo da plataforma de construção permite seu aquecimento para manter na peça um perfil de temperatura adequado para evitar a formação de trincas de origem termomecânicas. Assim, é também utilizada uma abordagem de gerenciamento térmico passivo/indireto para a peça e aplicável apenas em manufatura aditiva em leito de pó, o que não oferece a diversidade de controle sobre os vários efeitos do acúmulo de calor típicos da manufatura aditiva com fusão-deposição de material, como realizado pela presente invenção.[018]. Patent US20170056975A1 includes, as part of its apparatus, an external heat control mechanism that is positioned next to the lower surface of the construction platform to then form a temperature profile in parts being manufactured by powder bed additive manufacturing. An induction coil below the construction platform allows it to be heated to maintain an adequate temperature profile on the part to prevent the formation of thermomechanical cracks. Therefore, a passive/indirect thermal management approach is also used for the part and applicable only in powder bed additive manufacturing, which does not offer the diversity of control over the various heat build-up effects typical of fusion additive manufacturing. deposition of material, as accomplished by the present invention.

[019]. Em linha similar, a patente US2016271732A1 trata de um dispositivo de preaquecimento do substrato e/ou camadas para utilização em manufatura aditiva de preformas metálicas por fusão-deposição de material em pó. O preaquecedor, capaz de gerar calor pela passagem de corrente elétrica e indução, é montado de forma a acompanhar a fonte de energia na trajetória de deposição sempre próximo ao e aquecendo o substrato e/ou camada anterior imediatamente à frente da região de deposição atual. No caso, é possível formar a poça de fusão com mais facilidade e assim percorrer a trajetória de deposição mais rapidamente e ao mesmo tempo obter uma configuração mais adequada da primeira camada (maior espalhamento) para a deposição das subsequentes e assim por diante, já que o preaquecimento aumenta a molhabilidade do material fundido sobre o substrato, antes a temperatura ambiente, e/ou sobre as demais camadas. De forma parecida, a patente US20170355019A1 versa sobre a utilização de um elemento de aquecimento de pelo menos parte da preforma durante a manufatura aditiva por fusão-deposição de material. O elemento de aquecimento, bobina elétrica ou outro dispositivo adequado, é controlado em função de imagem térmica da preforma para evitar aquecimento não uniforme da mesma, reduzindo assim defeitos correlatos ao aquecimento e/ou resfriamento não uniforme durante a construção. Com isso é obtida a redução de gradientes térmicos na preforma, melhorando o controle de distorções e minimizando o risco de surgimento de trincas de solidificação na mesma. Apesar de poderem ser utilizadas para manufatura aditiva com fusão-deposição de material, estas duas abordagens de gerenciamento térmico não operam com resfriamento para mitigar as várias implicações negativas do acúmulo de calor, como realiza a invenção aqui apresentada.[019]. In a similar vein, patent US2016271732A1 deals with a device for preheating the substrate and/or layers for use in additive manufacturing of metallic preforms by fusion-deposition of powdered material. The preheater, capable of generating heat through the passage of electric current and induction, is mounted in such a way as to accompany the energy source on the deposition trajectory, always close to and heating the substrate and/or previous layer immediately in front of the current deposition region. In this case, it is possible to form the melting pool more easily and thus travel the deposition trajectory more quickly and at the same time obtain a more suitable configuration of the first layer (greater spreading) for the deposition of subsequent layers and so on, since preheating increases the wettability of the melted material on the substrate, previously at room temperature, and/or on the other layers. Similarly, patent US20170355019A1 deals with the use of a heating element for at least part of the preform during additive manufacturing by fusion-deposition of material. The heating element, electric coil or other suitable device, is controlled based on the thermal image of the preform to avoid non-uniform heating of the preform, thus reducing defects related to non-uniform heating and/or cooling during construction. This reduces thermal gradients in the preform, improving distortion control and minimizing the risk of solidification cracks appearing in the preform. Although they can be used for additive manufacturing with material fusion-deposition, these two thermal management approaches do not operate with cooling to mitigate the various negative implications of heat accumulation, as the invention presented here accomplishes.

[020]. Outros desenvolvimentos utilizam tanto aquecimento como resfriamento para abordar o gerenciamento térmico de preformas e peças. Nesse sentido, a patente US2016096326A1 trata de uma base de construção em forma de placa com múltiplos elementos de resfriamento e/ou aquecimento, que podem ser de natureza diversa. Esta placa é utilizada para resfriar e/ou aquecer seletivamente a peça sendo construída logo acima, de modo a controlar constantemente o gradiante térmico e distribuição de temperatura gerados e assim permitir que tensões mecânicas de origem térmica sejam reduzidas. Mais uma vez, trata-se de uma abordagem de gerenciamento térmico passiva/indireta, já que o meio de resfriamento contata apenas a base da peça, o que restringe os efeitos a alturas limitadas da mesma. Em contraste, a invenção aqui apresentada, por operar uma forma de resfriamento ativo/direto leva os efeitos positivos da mitigação do acúmulo de calor, como o controle de tensões termomecânicas, a toda extensão da preforma construída.[020]. Other developments utilize both heating and cooling to address thermal management of preforms and parts. In this sense, patent US2016096326A1 deals with a plate-shaped construction base with multiple cooling and/or heating elements, which can be of different nature. This plate is used to selectively cool and/or heat the part being built just above, in order to constantly control the thermal gradient and temperature distribution generated and thus allow mechanical stresses of thermal origin to be reduced. Once again, this is a passive/indirect thermal management approach, as the cooling medium only contacts the base of the part, which restricts the effects to limited heights thereof. In contrast, the invention presented here, by operating a form of active/direct cooling, brings the positive effects of mitigating heat accumulation, such as controlling thermomechanical stresses, to the entire length of the constructed preform.

[021]. Na mesma linha, a patente US6858816B2 propõe a realização da manufatura aditiva em leito de pó também com gerenciamento térmico passivo/indireto da peça, no caso dentro de uma camisa de aquecimento ou resfriamento. A camisa, formada por anéis de aquecimento ou resfriamento, é utilizada para aquecer ou resfriar o pó ao redor e, assim, a peça à medida de sua construção, atuando dessa maneira na condução de um resfriamento subsequente mais uniforme e assim reduzindo distorções. Apesar de atuar durante a construção, esta proposição é limitada apenas a processos de manufatura aditiva em leito de pó e não opera um resfriamento considerado ativo/direto, como na presente invenção. Ou seja, no caso o trocador de calor (camisa) não entra em contato direto com a peça, o que limita a capacidade do gerenciamento térmico em questão de otimizar as caracteristícas da mesma.[021]. In the same vein, patent US6858816B2 proposes carrying out additive manufacturing in a powder bed also with passive/indirect thermal management of the part, in this case inside a heating or cooling jacket. The jacket, formed by heating or cooling rings, is used to heat or cool the surrounding powder and, therefore, the piece as it is constructed, thus acting to conduct subsequent more uniform cooling and thus reducing distortions. Despite acting during construction, this proposition is limited only to powder bed additive manufacturing processes and does not operate a cooling considered active/direct, as in the present invention. In other words, in this case the heat exchanger (jacket) does not come into direct contact with the part, which limits the thermal management capacity in question to optimize its characteristics.

[022]. A patente WO2017097252A1 envolve o uso de vibração ultrasônica combinada com aquecimento ou resfriamento indireto da peça em manufatura aditiva com leito de pó. No caso, o resfriamento, por meio de circulação de fluido, ou aquecimento, pela passagem de corrente elétrica, da platafroma de construção auxilia a vibração ultrasônica continuamente nos efeitos sobre a microestrutura formada na peça e, assim, sobre as propriedades mecânicas resultantes. Tal como em outros desenvolvimentos já realizados, a extenção dos efeitos do resfriamento ou do aquecimento da plataforma de construção é limitada a níveis mais baixos da peça, o que não é realidade para a invenção aqui apresentada.[022]. Patent WO2017097252A1 involves the use of ultrasonic vibration combined with indirect heating or cooling of the part in powder bed additive manufacturing. In this case, the cooling, through fluid circulation, or heating, through the passage of electric current, of the construction platform helps the ultrasonic vibration to continuously affect the microstructure formed in the part and, thus, the resulting mechanical properties. As in other developments already carried out, the extent of the cooling or heating effects of the construction platform is limited to lower levels of the part, which is not true for the invention presented here.

[023]. Ainda abordando o gerenciamento térmico passivo/indireto, a patente US20150021815A1 trata de dispositivos de controle de temperatura que podem ser acoplados durante pelo menos uma parte do processo de manufatura aditiva. No caso, um dispositivo acoplado à plataforma de construção pode controlar indiretamente a taxa de resfriamento da preforma para resultar na microestrutura desejada. Este dispositivo pode incluir um elemento de arrefecimento, tal como serpentinas para cirulação de ar, água ou óleo, e/ou ventoinhas. Com isso é possivel aumentar a taxa de deposição de material. Além disso, outros dispositivos de controle de temperatura podem atuar no substrato antes (préaquecimento) da construção da preforma, para prevenir distorções, e/ou depois (pósaquecimento), para prover tratamento térmico de recozimento na mesma. Apesar de não contemplar aquecimento, a invenção aqui apresentada utiliza o resfriamento contínuo de maneira ativa/direta, portanto mais eficiente para mitigar distorções, tensões residuais e formação de microestruturas e propriedades indesejáveis, além de oxidação, irregularidades de deposição e emissões tóxicas.[023]. Still addressing passive/indirect thermal management, patent US20150021815A1 deals with temperature control devices that can be coupled during at least part of the additive manufacturing process. In this case, a device attached to the build platform can indirectly control the cooling rate of the preform to result in the desired microstructure. This device may include a cooling element, such as coils for circulating air, water or oil, and/or fans. This makes it possible to increase the material deposition rate. Furthermore, other temperature control devices can act on the substrate before (preheating) the construction of the preform, to prevent distortions, and/or after (postheating), to provide heat treatment for annealing it. Despite not including heating, the invention presented here uses continuous cooling in an active/direct manner, therefore more efficient to mitigate distortions, residual stresses and the formation of microstructures and undesirable properties, in addition to oxidation, deposition irregularities and toxic emissions.

[024]. A literatura (Cao, Y., Li, H., Liang, Z., Wang, D., Effect of Water Cooling on the Microstructure and Mechanical Properties of 6N01 Aluminum Alloy P-MIG- Welded Joints. Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. https://doi.org/10.1007/s11665-017-2792-6), em abordagem de gerenciamento térmico voltado à soldagem por fusão, aborda a utilização de resfriamento passivo/indireto por meio de circulação de água dentro de uma base de cobre sobre a qual são apoiadas as chapas a serem soldadas. No caso, em contraste com o resfriamento natural, a refrigeração com água resulta em uma menor temperatura de pico e uma taxa de resfriamento substancialmente maior no cordão de solda, levando a uma diminuição da zona parcialmente fundida e da zona termicamente afetada. Assim a dureza total da junta soldada é aumentada, refletindo no alcance de maior resistência mecânica em carregamento de tração. Apesar de funcionar para otimizar as características de cordões de solda próximos ao nível de resfriamento passivo/indireto (base refrigerada), esta abordagem seria limitada na manufatura aditiva, assim como utilizado em outras abordagens, por não manter o resfriamento sempre atuante próximo do nível de aporte de energia e de deposição de material. Diferentemente do que ocorre com a presente invenção, no caso o poder de influência do resfriamento não atuaria em toda a extenção e altura de construção da preforma.[024]. The literature (Cao, Y., Li, H., Liang, Z., Wang, D., Effect of Water Cooling on the Microstructure and Mechanical Properties of 6N01 Aluminum Alloy P-MIG- Welded Joints. Journal of Materials Engineering and Performance . 2017. https://doi.org/10.1007/s11665-017-2792-6), in a thermal management approach aimed at fusion welding, addresses the use of passive/indirect cooling through water circulation within a copper base on which the sheets to be welded are supported. In this case, in contrast to natural cooling, water cooling results in a lower peak temperature and a substantially higher cooling rate in the weld bead, leading to a decrease in the partially molten zone and the thermally affected zone. Thus, the total hardness of the welded joint is increased, resulting in the achievement of greater mechanical resistance under tensile loading. Although it works to optimize the characteristics of weld beads close to the passive/indirect cooling level (cooled base), this approach would be limited in additive manufacturing, as well as used in other approaches, as it does not keep the cooling always active close to the cooling level. energy input and material deposition. Unlike what happens with the present invention, in this case the cooling influence power would not act across the entire extension and construction height of the preform.

[025]. A patente DE102007057450A1 trata de um método de manufatura aditiva por irradiação seletiva de leito de líquido ou de pó por feixe de energia, em que a peça, ao final da construção, é resfriada com um fluido gasoso ou líquido dentro do espaço de construção com o objetivo de melhorar a microestrutura e propriedades mecânicas resultantes. Assim, apesar de empregar gerenciamento térmico ativo/direto, diferentemente de como realizado pela presente invenção, o método não propõe o resfriamento da peça concomitantemente à sua construção para minimizar o acúmulo de calor e suas repercussões negativas, o que limita os efeitos alcançados em intensidade e tipo, sendo mais assemelhado a um tratamento de têmpera (resfriamento rápido) da peça após sua construção.[025]. Patent DE102007057450A1 deals with an additive manufacturing method by selective irradiation of a liquid or powder bed by an energy beam, in which the part, at the end of construction, is cooled with a gaseous or liquid fluid within the construction space with the objective of improving the resulting microstructure and mechanical properties. Thus, despite employing active/direct thermal management, unlike what is carried out by the present invention, the method does not propose cooling the part concomitantly with its construction to minimize the accumulation of heat and its negative repercussions, which limits the effects achieved in intensity. and type, being more similar to a tempering treatment (rapid cooling) of the part after its construction.

[026]. Outros desenvolvimentos utilizam resfriamento intermitente, ainda que ativo/direto, para promover o gerenciamento térmico de preformas e peças. Nessa linha, a patente US20170014906A1 versa sobre um sistema de manufatura aditiva por sinterização ou fusão seletiva de leito de pó a LASER e inclui um dispositivo para resfriamento da peça. No caso, um distribuidor, a partir de um compartimento, fornece fluido de resfriamento simultaneamente em toda a largura da camada mais externa do material de alimentação espalhado por toda a área de construção, depois que pelo menos uma porção desta camada mais externa de material é fundida. Assim, são realizados passes intercalados de fusão (depois do espalhamento do pó) e de resfriamento pelo fluido durante o processo de construção da peça. Além de acelerar o resfriamento da camada, e assim diminuir o tempo de espera para a formação da próxima, o sistema reduz as flutuações de temperatura espacial através e entre as camadas de material de alimentação espalhado, reduzindo assim as tensões de origem térmica e melhorando as propriedades mecânicas da peça. A patente US20170129185A1 também envolve o resfriamento intercalado com a fusão das camadas para reduzir distorções na peça em manufatura aditiva com leito de pó. No caso, o resfriamento é efetuado por meio de um sistema composto de dois elementos de troca de calor. O primeiro elemento, móvel, é utilizado para resfriar a camada superior da peça em construção. Já o segundo elemento, fixo e resfriado por meio de circulação interna de fluido, é utilizado para resfriar o primeiro elemento após este ter estraído calor da peça. Apesar de acelerarem o resfriamento em relação à abordagem convencional, que consiste simplesmente de esperar por intervalos de resfriamento natural, e por isso, demorada e improdutiva, estes dois sistemas não fazem o resfriamento de maneira contínua, como na invenção aqui apresentada. Além disso, são concebidos apenas para processos de manufatura aditiva em leito de pó, não podendo ser utilizados em processos com fusão- deposição de material, como na invenção aqui apresentada, que, além do mais, permite aumentar a produtividade pelo aumento da velocidade de construção da preforma (sem paradas para resfriamento).[026]. Other developments use intermittent, albeit active/direct, cooling to promote thermal management of preforms and parts. Along these lines, patent US20170014906A1 deals with an additive manufacturing system using LASER sintering or selective powder bed fusion and includes a device for cooling the part. In this case, a distributor, from a compartment, simultaneously supplies cooling fluid across the entire width of the outermost layer of feed material spread over the entire construction area, after at least a portion of this outermost layer of material is fused. Thus, interspersed melting passes (after spreading the powder) and cooling by the fluid are carried out during the part construction process. In addition to accelerating the cooling of the layer, and thus reducing the waiting time for the formation of the next one, the system reduces spatial temperature fluctuations through and between the layers of spread feed material, thus reducing thermal stresses and improving the mechanical properties of the part. Patent US20170129185A1 also involves cooling interspersed with layer fusion to reduce distortions in the part in powder bed additive manufacturing. In this case, cooling is carried out through a system composed of two heat exchange elements. The first, mobile element, is used to cool the upper layer of the part under construction. The second element, fixed and cooled through internal fluid circulation, is used to cool the first element after it has removed heat from the part. Despite accelerating cooling compared to the conventional approach, which simply consists of waiting for natural cooling intervals, and is therefore time-consuming and unproductive, these two systems do not cool continuously, as in the invention presented here. Furthermore, they are designed only for powder bed additive manufacturing processes and cannot be used in processes with fusion-deposition of material, as in the invention presented here, which, moreover, allows increasing productivity by increasing the speed of preform construction (without stops for cooling).

[027]. Na mesma linha, a literatura (Wu, B., Pan, Z., Ding, D., Cuiuri, D., Li, H., Fei, Z., The effects of forced interpass cooling on the material properties of wire arc additively manufactured Ti6Al4V alloy. Journal of Materials Processing Technology. 2018. https://doi.org/10.1016Zj.jmatprotec.2018.03.024) aborda a aplicação de gás localizado na preforma para resfriamento ativo/direto e intermitente. No caso, faz-se uso de CO2 aplicado por um bocal instalado junto a uma tocha TIG utilizada para construir preformas de titânio. Para forçar o resfriamento rápido da preforma até a temperatura (monitorada por um pirómetro) alcançar o valor ambiente, o fluxo de CO2 somente é iniciado após a deposição de cada camada (em passe único) de material (evitando a perturbação do arco). Quando o resfriamento é desligado, uma nova camada de material é depositada com temperatura de interpasse igual à do ambiente. Como resultado positivo desta abordagem de resfriamento ativo/direto e intermitente são obtidas melhor aparência da preforma (menor nível de oxidação visível), microestrutura refinada, dureza aumentada e resistência à tração aprimorada (pela menor oxidação entre camadas), além de melhor regularidade de forma e de redução acentuada do tempo de espera entre deposições sucessivas (tempo de interpasse). Todavia, diferentemente da invenção aqui apresentada, no caso é necessário ainda parar a deposição para que o resfriamento forçado seja efetuado, o que ainda implica em tempo de espera entre os passes de deposição de material, o que ainda restringe a produtividade em termos de velocidade de construção da preforma.[027]. In the same vein, the literature (Wu, B., Pan, Z., Ding, D., Cuiuri, D., Li, H., Fei, Z., The effects of forced interpass cooling on the material properties of wire arc additively manufactured Ti6Al4V alloy. Journal of Materials Processing Technology. 2018. https://doi.org/10.1016Zj.jmatprotec.2018.03.024) addresses the application of gas located in the preform for active/direct and intermittent cooling. In this case, CO2 is used applied through a nozzle installed next to a TIG torch used to build titanium preforms. To force rapid cooling of the preform until the temperature (monitored by a pyrometer) reaches the ambient value, the CO2 flow is only started after the deposition of each layer (in a single pass) of material (avoiding disturbance of the arc). When cooling is turned off, a new layer of material is deposited with an interpass temperature equal to that of the environment. As a positive result of this active/direct and intermittent cooling approach, better appearance of the preform is obtained (lower level of visible oxidation), refined microstructure, increased hardness and improved tensile strength (due to less oxidation between layers), in addition to better shape regularity. and a marked reduction in the waiting time between successive depositions (interpass time). However, unlike the invention presented here, in this case it is still necessary to stop deposition for forced cooling to be carried out, which still implies waiting time between material deposition passes, which further restricts productivity in terms of speed. of preform construction.

[028]. Outros desenvolvimentos empregam meios de resfriamento e/ou aquecimento que podem ser considerados ativos/diretos e contínuos, ou seja, que atuam perenemente em contato com pelo menos parte da extensão das preformas ou peças para um gerenciamento térmico mais efetivo. A patente EP3069804A2 trata de um método com resfriamento e/ou aquecimento ativo/direto e contínuo de preformas, preferencialmente metálicas, para manufatura aditiva por fusão seletiva de leito de pó a LASER ou para processos de fusão-deposição de material. No caso, a preforma é construída com canais de resfriamento ou aquecimento integrados, que também podem estar na plataforma de construção, neste caso com saídas individualmente seláveis, pelos quais passa um fluido. A temperatura e/ou a vazão do fluido, controladas com base na medida de temperatura (termografia) da preforma e por meio de um sistema de resfriamento e/ou aquecimento externo, são utilizadas para executar o gerenciamento térmico. O fluido empregado é preferencialmente um líquido com condutividade e capacidade térmicas elevadas, não corrosivo e não inflamável, e pode ser utilizado múltiplas vezes por meio de filtragem. Este pode preencher parcialmente ou totalmente os canais integrados nas paredes da preforma, pode transbordar entre passes de deposição para prover proteção contra corrosão, oxidação e adesão de respingos da deposição de material fundido, e mesmo para lubrirrefrigeração em caso de passes de usinagem intercalados. Pode ainda fluir com diferentes temperaturas por diferentes canais, com mudanças de temperatura da preforma no tempo e no espaço, gerando um gradiente térmico variável. Assim, o método permite gerenciar instantaneamente o calor proveniente da fonte de fusão e que emana pela preforma, assim controlando a microestrutura formada e propriedades mecânicas resultantes e também as tensões residuais. Além disso, permite evitar acúmulo de calor e, assim, possibilita utilizar maior taxa de deposição de material sem deteriorar as propriedades mecânicas resultantes. Entretanto, para operar, o método demanda que o substrato tenha furos alinháveis com os da plataforma de construção, para passagem do fluido. Demanda ainda que a peça seja pelos menos parcialmente modificada em seu projeto tridimensional em CAD antes da construção para incluir canais internos integrados às paredes da preforma, o que demanda mais usinagem da mesma para remoção do volume de material com canais para chegar à geometria final da peça. A invenção aqui apresentada permite alcançar benefícios similares, mas sem a necessiade de modificação do projeto tridimensional em CAD da peça para integrar canais de refrigeração, que demandam mais usinagem, e dispensa a necessidade de substrato e plataforma de construção com canais alinhados. Além disso, a invenção aqui apresentada, por operar com fluido de refrigeração totalmente exposto, também atua na captura de partículas tóxicas (vapores e fumos), diminuido a poluição do ambiente de trabalho.[028]. Other developments employ cooling and/or heating means that can be considered active/direct and continuous, that is, that permanently act in contact with at least part of the extension of the preforms or parts for more effective thermal management. Patent EP3069804A2 deals with a method with active/direct and continuous cooling and/or heating of preforms, preferably metallic, for additive manufacturing by selective LASER powder bed fusion or for material fusion-deposition processes. In this case, the preform is built with integrated cooling or heating channels, which can also be on the construction platform, in this case with individually sealable outlets, through which a fluid passes. The temperature and/or flow of the fluid, controlled based on the temperature measurement (thermography) of the preform and through an external cooling and/or heating system, are used to perform thermal management. The fluid used is preferably a liquid with high conductivity and thermal capacity, non-corrosive and non-flammable, and can be used multiple times through filtration. This can partially or completely fill the channels integrated into the preform walls, can overflow between deposition passes to provide protection against corrosion, oxidation and adhesion from splashes from molten material deposition, and even for lubrication and cooling in the case of interspersed machining passes. It can also flow at different temperatures through different channels, with preform temperature changes in time and space, generating a variable thermal gradient. Thus, the method makes it possible to instantly manage the heat coming from the fusion source and emanating from the preform, thus controlling the microstructure formed and resulting mechanical properties as well as residual stresses. Furthermore, it allows heat accumulation to be avoided and, thus, makes it possible to use a higher material deposition rate without deteriorating the resulting mechanical properties. However, to operate, the method requires the substrate to have holes aligned with those on the construction platform, for the fluid to pass through. It also requires that the part be at least partially modified in its three-dimensional CAD design before construction to include internal channels integrated into the preform walls, which requires more machining of the same to remove the volume of material with channels to reach the final geometry of the part. part. The invention presented here allows similar benefits to be achieved, but without the need to modify the three-dimensional CAD design of the part to integrate cooling channels, which require more machining, and eliminates the need for a substrate and construction platform with aligned channels. Furthermore, the invention presented here, by operating with completely exposed refrigeration fluid, also acts to capture toxic particles (vapors and fumes), reducing pollution of the working environment.

[029]. Já a patente DE102007009273A1 versa sobre um método para produzir peças por manufatura aditiva por irradiação seletiva com feixe de energia sobre leito de pó. No caso, preferencialmente ao final da construção da peça, o pó compactado ao redor é pelo menos parcialmente atravessado por um fluido gasoso ou líquido para fins de resfriamento ou aquecimento visando controle de distorções. É preciso auxílio de uma pressão negativa ao redor da peça para garantir passagem do fluido ao redor da mesma. Além disso, a quantidade de calor dissipada ou difundida depende fortemente da porosidade do pó ao redor da peça e pode ser preciso fazer a secagem do mesmo antes de seu reaproveitamento. A aplicação é restringida a processos para manufatura adidtiva em leito de pó e assim restrita à produção de peças de dimensões limitadas. Assim, apesar de promover o gerenciameto térmico da peça e seus ganhos, diversamente da inveção aqui apresentada, o método não é aplicável a manufatura aditiva por fusão-deposição de material, que são direcionados a preformas mesmo de grandes dimensões.[029]. Patent DE102007009273A1 deals with a method for producing parts by additive manufacturing by selective irradiation with an energy beam on a powder bed. In this case, preferably at the end of the construction of the part, the surrounding compacted powder is at least partially crossed by a gaseous or liquid fluid for cooling or heating purposes in order to control distortions. Negative pressure is needed around the part to ensure fluid passage around it. Furthermore, the amount of heat dissipated or diffused strongly depends on the porosity of the powder around the part and it may be necessary to dry it before reusing it. The application is restricted to powder bed additive manufacturing processes and is therefore restricted to the production of parts of limited dimensions. Thus, despite promoting the thermal management of the part and its gains, unlike the invention presented here, the method is not applicable to additive manufacturing by fusion-deposition of material, which are aimed at even large preforms.

[030]. A literatura (Yanagida, N., Koide, H., Reduction of residual stress in multilayer welded plates by applying water-shower cooling during welding. Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering. 2008. https://doi.org/10.1299/jmmp.2.943), em outra abordagem de gerenciamento térmico voltado à soldagem por fusão, cita a utilização de um chuveiro de água atrás da região da poça de fusão visando reduzir a incidência de tensões residuais na peça. No caso, de forma ativa/direta, a água resfria rapidamente a região de alta temperatura atrás da área de entrada de calor na peça e em em seguida é sugada, sendo possível inclusive chegar a tensões residuais de compressão (em geral benéficas) em inversão a tensões de tração geralmente remanescentes nesta área. O rápido resfriamento localizado induz contração imediata da região fazendo com que a mesma fique tracionada pelo restante da peça e em seguida comprimida quando da continuação do resfriamento. Uma abordagem similar poderia ser empregada para manugatura aditiva, mas diferentemente da invenção aqui apresentada, que pode resfriar intensamente toda a preforma, os efeitos seriam limitados devido ao resfriamento apenas localizado.[030]. The literature (Yanagida, N., Koide, H., Reduction of residual stress in multilayer welded plates by applying water-shower cooling during welding. Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering. 2008. https://doi.org/10.1299/ jmmp.2.943), in another thermal management approach aimed at fusion welding, mentions the use of a water shower behind the molten pool region in order to reduce the incidence of residual stresses in the part. In this case, in an active/direct way, the water quickly cools the high temperature region behind the area of heat entry into the part and is then sucked in, making it possible to even reach residual compression stresses (generally beneficial) in inversion. to tensile stresses generally remaining in this area. The rapid localized cooling induces immediate contraction of the region, causing it to be pulled by the rest of the part and then compressed when cooling continues. A similar approach could be employed for additive manufacturing, but unlike the invention presented here, which can intensely cool the entire preform, the effects would be limited due to only localized cooling.

[031]. Existem ainda desenvolvimentos que empregam o resfriamento ativo/direto e contínuo pela aplicação de gás localizado sobre a preforma. Nessa linha, a patente CN104959606A trata de um sistema de controle localizado de temperatura para manufatura aditiva de peças metálicas por fusão-deposição de material em forma de arame ou pó. No caso, o controle de temperatura é realizado durante a construção por meio de um fluxo de gás, preferencialmente inerte, direcionado à região já solidificada da preforma, próximo ao cabeçote de deposição de material, por um bocal de resfriamento. Após drenar calor da preforma, o fluxo de gás é sugado pela parte posterior do bocal e direcionado para uma unidade de refrigeração para então voltar a atuar de forma localizada. O controle da vazão e temperatura do fluxo de gás é utilizado para definir a microestrutura formada, inclusive de modo dinâmico em função da posição na preforma. A literatura (Henckell, P., Günther, K., Ali, Y., Bergmann, J.P., Scholz, J., Forêt, P., The influence of gas cooling in context of wire arc additive manufacturing - a novel strategy of affecting grain structure and size. TMS 2017 146th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51493-2_15) também apresenta a aplicação de fluxo de gás adicional como abordagem para reduzir a temperatura da preforma no passe de deposição em execução em manufatura aditiva com processo MIG/MAG. No caso, argônio, hidrogênio e nitrogênio, de acordo com suas capacidade e condutividade térmicas, são utilizados para influenciar a microestrutura e granulometria formadas na preforma. Com a menor temperatura de interpasse, são obtidos grãos refinados por toda a altura da preforma com mais homogeneidade de propriedades mecânicas entre camadas. Além disso, é menor a necessidade de usinagem para chegar à geometria da peça. Entretanto, o fluxo de gás deve ser preferencialmente aplicado sobre uma região relativamente distante da fonte de aporte de energia e de deposição de material para evitar perturbações na própria fonte e na poça de fusão. Assim, apesar das vantagens, a aplicação localizada de fluxo de gás apresenta limitações em termos de capacidade de resfriamento, já que grande parcela do calor pode se propagar em outras direções que não aquela da região onde está aplicado o fluxo de gás. A invenção aqui apresentada é capaz de resfriar mais uniformemente toda a preforma e com maior intensidade, por utilizar uma abordagem de quase-imersão da mesma em um fluido líquido de resfriamento, o que a torna ainda uma solução de baixo custo, para controlar características da preforma, tais como microestrutura formada e tamanho de grão.[031]. There are also developments that employ active/direct and continuous cooling by applying localized gas to the preform. Along these lines, patent CN104959606A deals with a localized temperature control system for additive manufacturing of metallic parts by fusion-deposition of material in the form of wire or powder. In this case, temperature control is carried out during construction through a flow of gas, preferably inert, directed to the already solidified region of the preform, close to the material deposition head, through a cooling nozzle. After draining heat from the preform, the gas flow is sucked through the back of the nozzle and directed to a refrigeration unit to then return to localization. Controlling the flow rate and temperature of the gas flow is used to define the microstructure formed, including dynamically depending on the position in the preform. The literature (Henckell, P., Günther, K., Ali, Y., Bergmann, J.P., Scholz, J., Forêt, P., The influence of gas cooling in context of wire arc additive manufacturing - a novel strategy of affecting grain structure and size. TMS 2017 146th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 2017. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51493-2_15) also presents the application of additional gas flow as an approach to reduce the temperature of the preform in the deposition pass running in additive manufacturing with the MIG/MAG process. In this case, argon, hydrogen and nitrogen, depending on their thermal capacity and conductivity, are used to influence the microstructure and particle size formed in the preform. With the lower interpass temperature, refined grains are obtained throughout the entire height of the preform with more homogeneity of mechanical properties between layers. Furthermore, there is less need for machining to achieve the geometry of the part. However, the gas flow must preferably be applied to a region relatively distant from the source of energy input and material deposition to avoid disturbances to the source itself and the fusion pool. Thus, despite the advantages, the localized application of gas flow presents limitations in terms of cooling capacity, since a large portion of the heat can propagate in directions other than that of the region where the gas flow is applied. The invention presented here is capable of cooling the entire preform more uniformly and with greater intensity, by using a quasi-immersion approach in a liquid cooling fluid, which also makes it a low-cost solution to control characteristics of the preform. preform, such as formed microstructure and grain size.

[032]. Já a patente US20030075836A1 versa sobre um sistema de resfriamento com ar para remoção de calor de peças poliméricas construídas por manufatura aditiva. No caso, um duto direciona uma cortina uniforme de fluxo de ar sobre as camadas durante a deposição. Na manufatura aditiva por fusão-deposição de material a arco elétrico, esta abordagem, além de ter limitações no poder de resfriamento, traria riscos de contaminação e perturbação do arco elétrico e do seu gás de proteção, da poça de fusão e, assim, da própria preforma. Em contraste, a invenção aqui apresentada, por operar com um fluido líquido de resfriamento próximo, mas nunca no nível de aporte de energia e de deposição de material, oferece alta capacidade de resfriamento sem riscos à fonte de calor e à poça de fusão.[032]. Patent US20030075836A1 deals with an air cooling system for removing heat from polymeric parts built by additive manufacturing. In this case, a duct directs a uniform curtain of airflow over the layers during deposition. In additive manufacturing by fusion-deposition of material using an electric arc, this approach, in addition to having limitations in cooling power, would bring risks of contamination and disturbance of the electric arc and its shielding gas, the molten pool and, thus, the preform itself. In contrast, the invention presented here, by operating with a liquid cooling fluid close to, but never at the level of energy input and material deposition, offers high cooling capacity without risk to the heat source and the molten pool.

[033]. Tendo como foco atuar na mitigação dos problemas relacionados ao acúmulo de calor e ao mesmo tempo visando preservar ou mesmo aumentar a produtividade da manufatura aditiva por fusão-deposição de material a arco elétrico, mas não limitada à mesma, esta invenção trata de uma técnica de resfriamento ativo da preforma baseada na quase-imersão contínua e controlada da mesma em um fluido líquido de resfriamento por todo o período de sua construção dentro de uma cuba. Assim, a taxa de resfriamento da parte não imersa da preforma é controlada pelo nível da lâmina de fluido líquido de resfriamento e pela troca de calor com sua parte imersa, já em equilíbrio de temperatura com o fluido. Então, com um melhor gerencimamento térmico da preforma é possível obter maior produtividade de fabricação e peças com melhores características mecânicas. A técnica de resfriamento ativo para manufatura aditiva objeto desta invenção, independentemente da geometria visada, alia a capacidade de construir preformas maiores, típica de processos com tecnologia de deposição com energia direcionada (deposição de material fundido), com a capacidade de construir preformas mais regulares, típica de processos com tecnologia de leito de pó. Listagem das figuras Figura 1 - Montagem esquemática básica para funcionamento da técnica de resfriamento ativo para manufatura aditiva Figura 2 - Vistas de secções transversais e longitudinais da representação da distribuição de temperatura em preformas simples (paredes com camadas de passe único de deposição) durante a construção com diferentes abordagens de resfriamento com uma mesma quantidade de camadas, aporte de energia e taxa de fusão-deposição de material: (a) resfriamento ativo/direto; (b) resfriamento convencional (natural); (c) resfriamento passivo/indireto Figura 3 - Imagens termográficas obtidas de preformas ao final da construção (logo após extinção do arco elétrico) com diferentes abordagens de resfriamento: (a) resfriamento ativo/direto; (b) resfriamento convencional (natural); (c) resfriamento passivo/indireto Figura 4 - Ciclo térmico da região central do comprimento da vigésima terceira camada até o fim da construção de preformas (28 camadas de passe único de deposição) com diferentes abordagens de resfriamento Figura 5 - Perfis de altura e largura (máxima) de preformas construídas com diferentes abordagens de resfriamento Figura 6 - Secções transversais centrais de preformas construídas com diferentes abordagens de resfriamento: (a) resfriamento ativo/direto; (b) resfriamento convencional (natural); (c) resfriamento passivo/indireto[033]. Focusing on mitigating problems related to heat accumulation and at the same time aiming to preserve or even increase the productivity of additive manufacturing by fusion-deposition of material using an electric arc, but not limited to the same, this invention deals with a technique for active cooling of the preform based on continuous and controlled quasi-immersion of the preform in a liquid cooling fluid throughout the entire period of its construction inside a vat. Thus, the cooling rate of the non-immersed part of the preform is controlled by the level of the liquid cooling fluid blade and the heat exchange with its immersed part, already in temperature equilibrium with the fluid. Therefore, with better thermal management of the preform, it is possible to obtain greater manufacturing productivity and parts with better mechanical characteristics. The active cooling technique for additive manufacturing object of this invention, regardless of the targeted geometry, combines the ability to build larger preforms, typical of processes with directed energy deposition technology (molten material deposition), with the ability to build more regular preforms , typical of processes with powder bed technology. List of figures Figure 1 - Basic schematic assembly for the operation of the active cooling technique for additive manufacturing Figure 2 - Cross-sectional and longitudinal views of the representation of temperature distribution in simple preforms (walls with single-pass deposition layers) during construction with different cooling approaches with the same number of layers, energy input and material fusion-deposition rate: (a) active/direct cooling; (b) conventional (natural) cooling; (c) passive/indirect cooling Figure 3 - Thermographic images obtained from preforms at the end of construction (soon after extinction of the electric arc) with different cooling approaches: (a) active/direct cooling; (b) conventional (natural) cooling; (c) passive/indirect cooling Figure 4 - Thermal cycle from the central region of the length of the twenty-third layer to the end of preform construction (28 layers of single deposition pass) with different cooling approaches Figure 5 - Height and width profiles (maximum) of preforms built with different cooling approaches Figure 6 - Central cross-sections of preforms built with different cooling approaches: (a) active/direct cooling; (b) conventional (natural) cooling; (c) passive/indirect cooling

Descrição da invençãoDescription of the invention

[034]. A presente invenção, conforme a FIGURA 1, trata de uma técnica de resfriamento ativo para manufatura aditiva por deposição com energia direcionada, preferencialmente com arco elétrico, mas aplicável também com LASER ou outras fontes de fusão-deposição de material compatíveis, para fabricação de peças metálicas baseada na quase-imersão contínua e controlada da preforma (A) em um fluido líquido de resfriamento (B) por todo o período de sua construção dentro de uma cuba (C). O fluido líquido de resfriamento (B) utilizado para esta técnica de gerenciamento térmico ativa/direta pode ser reutilizado múltiplas vezes por meio de filtragem e é preferencialmente água, mas podem ser utilizados outros líquidos puros ou em conjunto com água, desde que não ofereçam risco de incêndio/explosão, como, por exemplo, adição de etileno glicol, para aumentar o intervalo de temperatura de estado líquido do fluido e/ou aumentar a taxa de resfriamento da preforma (A), e/ou de óleo, para sobrenadar o fluido como maneira de minimizar sua taxa de evaporação e contaminação da preforma por hidrogênio. A técnica inclui utilizar um sensor de nível (D) e válvulas de entrada (E) e saída (F) para o fluido líquido de resfriamento (B) na cuba (C) acionadas pela subida da tocha (G) ou pela temperatura da preforma (A) para controlar a distância de separação (H) entre a lâmina do fluido líquido de resfriamento (B) e o nível de aporte de energia e de deposição de material no topo da preforma (A). Inclui também utilizar um sistema de bombeamento, filtragem e arrefecimento externo (I) para o fluido líquido de resfriamento (B), cuja temperatura é controlada com base no monitorameto da temperatura da preforma (A) por meio de um medidor de temperatura (J), preferencialmente sem contato. Tanto a vazão quanto a temperatura do fluido líquido de resfriamento (B) são controlados por meio de um controlador (K). A taxa de resfriamento da parte não imersa da preforma (A) é controlada pela distância de separação (H) entre o nível de aquecimento, por aporte de energia e de deposição de material em seu topo, e o nível da lâmina de fluido de resfriamento (B) e pela troca de calor com sua parte imersa, já em equilíbrio de temperatura com o fluido. Esta distância de separação (H) entre o nível de aquecimento e o nível superior do fluido líquido de resfriamento (B) é escolhida previamente em função da taxa de resfriamento desejada e, assim, características pretendidas para a preforma (A), e tem como limite mínimo a vaporização excessiva do fluido líquido de resfriamento (B) que pode perturbar e/ou contaminar a fonte de aporte de energia e de deposição de material (L), preferencialmente arco elétrico, e a poça de fusão formada. A invenção opera preferencialmente com entrada e saída do fluido líquido de resfriamento (B) na parte inferior da cuba (C) de construção. Entretanto, para preformas com cavidades, inclui também a possibilidade de utilizar dois bocais para entrada do fluido de resfriamento montados juntos, mas com distância regulável, e nivelados à fonte de aporte de energia e de deposição de material (L) e sempre alinhados transversalmente à direção da trajetória dos passes de deposição. Neste caso, à medida da deposição de material, vai se enchendo com fluido líquido de resfriamento (B), além de regiões externas, também regiões internas (cavidades) das preformas, que serão sempre mantidas sem acúmulo de calor. Neste caso, dois sensores de nível são utilizados individualmente para manter os níveis de fluido líquido de resfriamento (B) iguais em ambos os lados, externo e interno, pelo acionamento também individual de duas válvulas de vazão instaladas, uma em cada bocal. A invenção é concebida para operar com circulação do fluido líquido de resfriamento (B), mas não exclui a opção de apenas inundar gradativamente a cuba (C) de construção para promover o resfriamento ativo/direto, contínuo e rápido da preforma (A) à medida do aumento de sua altura. Ao final da construção da preforma (A), pela deposição da última camada de material, o nível do fluído líquido de resfriamento (B) é elevado com taxa controlada até que o restante da preforma (A), ou seja, conjunto de últimas camadas até então não imersas, seja também imerso para totalidade de efeitos do gerenciamento térmico ativo/direto. O sistema de movimentação utilizado para operação da invenção consiste de eixos para movimento vertical (Z), longitudinal (X) e transversal (Y) do cabeçote de fusão-deposição de material, ou seja, da tocha (G), e de eixo para movimento de giro (W) da cuba (C) e, assim, da plataforma de construção (M), do susbstrato (N) e da preforma (A) construída sobre ele, mas não exclui a possibilidade de utilização de outros eixos de movimento, como, por exemplo, para inclinação da tocha (G).[034]. The present invention, as shown in FIGURE 1, deals with an active cooling technique for additive manufacturing by deposition with directed energy, preferably with an electric arc, but also applicable with LASER or other compatible material fusion-deposition sources, for manufacturing parts metallic materials based on the continuous and controlled quasi-immersion of the preform (A) in a liquid cooling fluid (B) throughout the entire period of its construction inside a vat (C). The liquid cooling fluid (B) used for this active/direct thermal management technique can be reused multiple times through filtration and is preferably water, but other pure liquids or in conjunction with water can be used, as long as they do not pose a risk of fire/explosion, such as, for example, addition of ethylene glycol, to increase the liquid state temperature range of the fluid and/or increase the cooling rate of the preform (A), and/or oil, to supernate the fluid as a way to minimize its evaporation rate and contamination of the preform by hydrogen. The technique includes using a level sensor (D) and inlet (E) and outlet (F) valves for the liquid cooling fluid (B) in the tank (C) activated by the rise of the torch (G) or the temperature of the preform (A) to control the separation distance (H) between the liquid cooling fluid blade (B) and the level of energy input and material deposition on top of the preform (A). It also includes using an external pumping, filtering and cooling system (I) for the liquid cooling fluid (B), whose temperature is controlled based on monitoring the temperature of the preform (A) using a temperature meter (J) , preferably without contact. Both the flow rate and the temperature of the liquid cooling fluid (B) are controlled using a controller (K). The cooling rate of the non-immersed part of the preform (A) is controlled by the separation distance (H) between the heating level, due to energy input and material deposition on its top, and the level of the cooling fluid sheet. (B) and by heat exchange with its immersed part, already in temperature equilibrium with the fluid. This separation distance (H) between the heating level and the upper level of the liquid cooling fluid (B) is previously chosen depending on the desired cooling rate and, thus, the desired characteristics of the preform (A), and has the following minimum limit to excessive vaporization of the liquid cooling fluid (B) that can disturb and/or contaminate the source of energy input and material deposition (L), preferably electric arc, and the molten pool formed. The invention preferably operates with the inlet and outlet of the liquid cooling fluid (B) in the lower part of the construction tank (C). However, for preforms with cavities, it also includes the possibility of using two nozzles for entering the cooling fluid mounted together, but with an adjustable distance, and leveled with the source of energy input and material deposition (L) and always aligned transversely to the direction of the trajectory of the deposition passes. In this case, as material is deposited, it fills with liquid cooling fluid (B), in addition to external regions, also internal regions (cavities) of the preforms, which will always be kept without heat accumulation. In this case, two level sensors are used individually to maintain the levels of liquid cooling fluid (B) equal on both sides, external and internal, by also individually activating two flow valves installed, one on each nozzle. The invention is designed to operate with circulation of liquid cooling fluid (B), but does not exclude the option of just gradually flooding the construction tank (C) to promote active/direct, continuous and rapid cooling of the preform (A) to the measure of increase in height. At the end of the construction of the preform (A), by deposition of the last layer of material, the level of the liquid cooling fluid (B) is raised at a controlled rate until the remainder of the preform (A), that is, the set of last layers hitherto unimmersed, is also immersed for the full effects of active/direct thermal management. The movement system used to operate the invention consists of axes for vertical (Z), longitudinal (X) and transverse (Y) movement of the material fusion-deposition head, that is, the torch (G), and an axis for rotational movement (W) of the vat (C) and, thus, of the construction platform (M), the substrate (N) and the preform (A) built on it, but does not exclude the possibility of using other axes of movement , such as for torch tilt (G).

[035]. A invenção opera como se a plataforma de contrução (M) e o substrato (N), inclusive com capacidades de troca de calor intensificadas (resfriamento passivo/indireto), fossem mantidos sempre próximos ao nível de aporte de energia e de deposição de material, não importando a altura da preforma (A) e, por conseguinte, a distância de separação entre o nível de aporte de energia e de deposição de material e o nível real da plataforma de construção (M) e do substrato (N). Assim, a maior parte da preforma (A) fica sempre abaixo da lâmina do fluido líquido de resfriamento (B) e em baixa temperatura (em equilíbrio com o fluido) e a parte restante, exposta ao aquecimento pela fonte de calor e de deposição de material fundido (L), pode ser resfriada em taxa acelerada por rápida condução do calor para a parte fria, somando-se ao resfriamento já obtido pelo contato direto desta parte restante da preforma (A) com a atmosfera de deposição (O), formada pelo gás de proteção e ar/gás ambiente, e por sua radiação térmica emitida. O foco da invenção é atuar na mitigação de problemas relacionados ao acúmulo de calor e ao mesmo tempo preservar ou mesmo aumentar a produtividade da manufatura aditiva por fusão-deposição de material a arco elétrico com metal de adição na forma de arame e/ou pó pelos processos MIG/MAG, Arame Tubular, TIG e Plasma, em todas as suas variantes e técnicas, mas não exclui a aplicação para outras fontes de energia, como, por exemplo, na manufatura aditiva por fusão-deposição de material a LASER com adição de metal na forma de arame e/ou pó.[035]. The invention operates as if the construction platform (M) and the substrate (N), including intensified heat exchange capabilities (passive/indirect cooling), were always kept close to the level of energy input and material deposition, regardless of the height of the preform (A) and, therefore, the separation distance between the level of energy input and material deposition and the actual level of the construction platform (M) and substrate (N). Thus, the majority of the preform (A) is always below the layer of liquid cooling fluid (B) and at low temperature (in equilibrium with the fluid) and the remaining part is exposed to heating by the heat source and deposition of molten material (L), can be cooled at an accelerated rate by rapid conduction of heat to the cold part, adding to the cooling already obtained by direct contact of this remaining part of the preform (A) with the deposition atmosphere (O), formed by shielding gas and ambient air/gas, and by its emitted thermal radiation. The focus of the invention is to mitigate problems related to heat accumulation and at the same time preserve or even increase the productivity of additive manufacturing by fusion-deposition of material using an electric arc with filler metal in the form of wire and/or powder by the MIG/MAG, Tubular Wire, TIG and Plasma processes, in all their variants and techniques, but does not exclude the application to other energy sources, such as, for example, in additive manufacturing by fusion-deposition of LASER material with the addition of metal in the form of wire and/or powder.

[036]. Por meio do controle da dissipação ativa/direta e contínua do calor durante a fabricação por manufatura aditiva, a invenção permite, indepentemente da geometria a ser construida, regular favoravelmente características relacionadas às preformas em termos de microestrutura e tamanho/tipo de grão formados, propriedades mecânicas resultantes, distorções, tensões residuais, irregularidades de deposição, oxidação e adesão de respingos, além de emissões tóxicas. Pelo controle da microestrutura formada por toda a extensão das preformas é possível evitar a formação de fases indesejáveis e, assim, obter mais facilmente o desempenho esperado da totalidade da extensão das peças correspondentes. Os grãos formados podem ter o tamanho reduzido e serem do tipo equiaxial em toda extensão da preforma para otimização de propriedades mecânicas de maneira homogênea e com equilíbrio nas diferentes direções da peça. Tensões residuais prejudiciais à resistência mecânica da peça podem ser minimizadas pelo resfriamento rápido, contínuo e homogêneo da preforma, que impede gradientes térmicos variados e, asssim, deformações térmicas não uniformes e formação de fases heterogênias, dispensando a necessidade de tratamento térmico para alívio de tensões. Evitando deformações térmicas não uniformes, também se minimiza distorções das preformas que podem, dependendo da extenção e intensidade, demandar tratamento térmico para correções e/ou mais usinagem para chegar ao formato projetado para as peças correpondentes. Irregularidades de deposição são minimizadas por meio da obtenção de poças de fusão menores e mais estáveis sobre as preformas em construção, mesmo com elevado aporte de energia e/ou de deposição de material, e, assim, são obtidas melhores qualidades de forma e dimensionais das preformas, o que minimiza a necessidade de usinagem para chegar ao formato e acabamento finais das peças correspondentes. A oxidação das preformas também pode ser minimizada em toda a extensão pelo rápido resfriamento alcançado, o que diminui possível fragilização das peças, por presença de óxidos entre passes de deposição e entre camadas formadas, e facilita a etapa de usinagem ao evitar que óxidos possivelmente duros e abrasivos, que acerelam o desgaste de ferramentas de corte, estejam presentes nas preformas. A quase- imersão total das preformas durante todo o período de construção minimiza a adesão de possíveis respingos emanados da fusão-deposição de material, o que reduz a necessidade de usinagem para limpeza. Emissões, principalmente formadas por fumos metálicos tóxicos, com origem nos vapores liberados do material fundido depositado e da poça de fusão, principalmente em elevadas taxas de deposição para aumento de produtividade, podem ser aprisionadas no líquido de resfriamento sempre em nível logo abaixo do ponto de aporte de energia e de deposição de material, o que minimiza a poluição do ambiente de trabalho. Além de regular favoravelmente características relacionadas às preformas, a invenção aqui apresentada permite preservar ou aumentar a produtividade da manufatura aditiva pelo aumento da velocidade de construção, que pode ocorrer sem ou com menor quantidade de paradas, devido ao resfriamento intenso e contínuo, e/ou com maior taxa de fusão-deposição de material, já que o correspondente aumento de aporte de energia é contrabalanceado por uma maior capacidade de dissipação de calor provida pela estratégia de resfriamento eficiente.[036]. By controlling active/direct and continuous heat dissipation during manufacturing by additive manufacturing, the invention allows, regardless of the geometry to be constructed, to favorably regulate characteristics related to preforms in terms of microstructure and size/type of grain formed, properties resulting mechanics, distortions, residual stresses, deposition irregularities, oxidation and splash adhesion, in addition to toxic emissions. By controlling the microstructure formed over the entire length of the preforms, it is possible to avoid the formation of undesirable phases and, thus, more easily obtain the expected performance over the entire length of the corresponding parts. The grains formed can be reduced in size and be equiaxed across the entire length of the preform to optimize mechanical properties in a homogeneous and balanced manner in different directions of the part. Residual stresses that are harmful to the mechanical strength of the part can be minimized by rapid, continuous and homogeneous cooling of the preform, which prevents varied thermal gradients and, thus, non-uniform thermal deformations and the formation of heterogeneous phases, eliminating the need for heat treatment to relieve stresses. . By avoiding non-uniform thermal deformations, distortions of the preforms are also minimized, which may, depending on the extent and intensity, require heat treatment for corrections and/or more machining to reach the shape designed for the corresponding parts. Deposition irregularities are minimized by obtaining smaller and more stable melting pools on the preforms under construction, even with high energy input and/or material deposition, and, thus, better shape and dimensional qualities are obtained. preforms, which minimizes the need for machining to reach the final shape and finish of the corresponding parts. The oxidation of the preforms can also be minimized throughout the rapid cooling achieved, which reduces possible embrittlement of the parts, due to the presence of oxides between deposition passes and between formed layers, and facilitates the machining stage by preventing possibly hard oxides from forming. and abrasives, which accelerate the wear of cutting tools, are present in the preforms. The almost total immersion of the preforms throughout the construction period minimizes the adhesion of possible spatter emanating from the melting-deposition of material, which reduces the need for machining for cleaning. Emissions, mainly formed by toxic metallic fumes, originating from vapors released from the deposited molten material and the weld pool, especially at high deposition rates to increase productivity, can be trapped in the cooling liquid always at a level just below the melting point. energy input and material deposition, which minimizes pollution of the working environment. In addition to favorably regulating characteristics related to preforms, the invention presented here allows preserving or increasing the productivity of additive manufacturing by increasing the construction speed, which can occur without or with fewer stops, due to intense and continuous cooling, and/or with a higher material fusion-deposition rate, since the corresponding increase in energy input is counterbalanced by a greater heat dissipation capacity provided by the efficient cooling strategy.

[037]. A técnica objeto desta invenção, conforme a FIGURA 2(a), utiliza uma abordagem de resfriamento ativo/direto para preformas fabricadas por manufatura aditiva. Esta abordagem de resfriamento é capaz de afetar significativamente as características da preforma (A) em construção devido o contato direto do fluido líquido de resfriamento (B) com todas as camadas da mesma dentro da cuba (C), com excessão de algumas últimas logo abaixo do nível de aporte de energia e de deposição de material (nível da fonte de calor e de material fundido). O fluido líquido de resfriamento (B) retira calor diretamente da preforma (A), diminuindo significativamente a temperatura de interpasse, i.e., a temperatura mínima da camada anterior antes da nova passagem da fonte de aporte de energia e de deposição de material, assim expressivamente reduzindo o acúmulo de calor, representado pela distribuição de temperatura, na preforma (A) à medida da construção. Pode-se dizer, então, que o fluxo de calor logo abaixo da região de deposição assume um regime tridimensional e equilibrado, induzindo um resfriamento próximo do isotrópico (igual em todas as direções), o que confere equilíbrio de propriedades nas direções (tipicamente vertical e horizontal) de crescimento da preforma (A). Como o nível do fluido líquido de resfriamento (B) vai subindo continuamente com o nível da fonte de calor e de material fundido, este efeito e seus benefícios, bem como outros efeitos favoráveis, são mantidos em todos os passes de deposição e camadas, não importando a altura da preforma (A) construída. Além de ser controlada pela temperatura e circulação/vazão do fluido líquido de resfriamento (B) e pela distância de separação (H) entre a lâmina deste fluido e o nível de aporte de energia e de deposição de material, a taxa de resfriamento da preforma (A) é regulada pela capacidade e condutividade térmicas do mesmo. A capacidade térmica dá a medida do poder do fluido líquido de resfriamento (B) de armazenar calor retirado da preforma (A). Já a condutividade térmica dá a medida do poder do fluido líquido de resfriamento (B) de dissipar o calor armazenado da preforma (A).[037]. The technique object of this invention, as shown in FIGURE 2(a), uses an active/direct cooling approach for preforms manufactured by additive manufacturing. This cooling approach is capable of significantly affecting the characteristics of the preform (A) under construction due to the direct contact of the liquid cooling fluid (B) with all its layers inside the tank (C), with the exception of some last ones just below the level of energy input and material deposition (level of heat source and melted material). The liquid cooling fluid (B) removes heat directly from the preform (A), significantly reducing the interpass temperature, i.e., the minimum temperature of the previous layer before the new passage of the source of energy input and material deposition, thus significantly reducing the accumulation of heat, represented by the temperature distribution, in the preform (A) as construction is carried out. It can be said, then, that the heat flow just below the deposition region assumes a three-dimensional and balanced regime, inducing a cooling close to isotropic (equal in all directions), which confers balance of properties in the directions (typically vertical and horizontal) of growth of the preform (A). As the level of the liquid cooling fluid (B) continually rises with the level of the heat source and melt, this effect and its benefits, as well as other favorable effects, are maintained in all deposition passes and layers, not importing the height of the preform (A) built. In addition to being controlled by the temperature and circulation/flow of the liquid cooling fluid (B) and by the separation distance (H) between the blade of this fluid and the level of energy input and material deposition, the preform cooling rate (A) is regulated by its thermal capacity and conductivity. The thermal capacity measures the power of the liquid cooling fluid (B) to store heat removed from the preform (A). Thermal conductivity measures the power of the liquid cooling fluid (B) to dissipate the heat stored in the preform (A).

[038]. Para fins de comparação, conforme a FIGURA 2(b), na abordagem de resfriamento convencional (natural), a temperatura de interpasse e, assim, o acúmulo de calor na preforma (A) podem ser reduzidos apenas pelo contato direto com a atmosfera de deposição (O), formada pelo gás de proteção e ar/gás ambiente, e pela radiação térmica emitida pela mesma, além do que pela extração de calor promovida, pelo menos inicialmente, pelo substrato (N) e pela plataforma de construção (M), os quais, em geral, estão inicialmente em temperatura ambiente. Neste caso, tanto a preforma (A) quanto o substrato (N) e a plataforma de construção (M) são resfriados apenas pela atmosfera de deposição (O) circundante e gasosa e isso pode demandar bastante tempo de espera entre os passes de deposição para se manter determinada temperatura de interpasse para certo controle de características da preforma (A), comprometendo a produtividade pela diminuição da velocidade de construção. A extração de calor promovida nesta abordagem é precária, e pode se dizer que o fluxo de calor tem um regime bidimensional e desiquilibrado (mais na direção vertical do que na horizontal) na preforma (A), induzindo um resfriamento ortotrópico (diferente em função da direção) e, por isso, desequilíbrio de propriedades mecânicas resultantes nas direções (tipicamente vertical e horizontal) de crescimento da mesma e outros efeitos prejudiciais.[038]. For comparison purposes, as shown in FIGURE 2(b), in the conventional (natural) cooling approach, the interpass temperature and, thus, the heat accumulation in the preform (A) can be reduced only by direct contact with the atmosphere of deposition (O), formed by the shielding gas and ambient air/gas, and by the thermal radiation emitted by it, in addition to the heat extraction promoted, at least initially, by the substrate (N) and the construction platform (M) , which, in general, are initially at room temperature. In this case, both the preform (A) and the substrate (N) and the build platform (M) are cooled only by the surrounding gaseous deposition atmosphere (O) and this can require a lot of waiting time between deposition passes to maintaining a certain interpass temperature to control the characteristics of the preform (A), compromising productivity by reducing construction speed. The heat extraction promoted in this approach is precarious, and it can be said that the heat flow has a two-dimensional and unbalanced regime (more in the vertical direction than in the horizontal) in the preform (A), inducing an orthotropic cooling (different depending on the direction) and, therefore, imbalance of mechanical properties resulting in the directions (typically vertical and horizontal) of its growth and other harmful effects.

[039]. Ainda para fins de comparação, conforme a FIGURA 2(c), na abordagem de resfriamento passivo/indireto da preforma (A), ou ativo/direto apenas para a plataforma de construção (M) e/ou substrato (N), a temperatura de interpasse, e, assim, o acúmulo de calor na preforma (A) podem ser reduzidos indiretamente pelo contato direto do fluido líquido de resfriamento (B) com a plataforma de construção (M) e/ou substrato (N). O fluido líquido de resfriamento (B) retira calor indiretamente da preforma (A) à medida que promove o resfriamento direto da plataforma de construção (M) e/ou substrato (N) abaixo. Assim, pode se dizer que o fluxo de calor abaixo da região de deposição assume também um regime bidimensional e desiquilibrado (mais na direção vertical do que na horizontal) na preforma (A), como na abordagem de resfriamento convencional (natural), mas abrandado, induzindo um resfriamento ainda ortotrópico (diferente em função da direção), mas com menos desequilíbrio entre direções (tipicamente vertical e horizontal) de crescimento da mesma. Dessa forma, mesmo que mais restrito a passes de deposição e camadas mais próximos à plataforma de construção (M) e/ou substrato (N) ou a preformas de altura limitada, se favorece a diminuição de desequilíbrios de propriedades mecânicas resultantes em função da direção de crescimento das mesmas. Como o nível do fluido líquido de resfriamento (B) nesta abordagem não sobe com o nível de aporte de energia e de deposição de material, os efeitos do resfriamento passivo/indireto se restringem a preformas de baixa altura ou a passes de deposição e camadas iniciais.[039]. Still for comparison purposes, as shown in FIGURE 2(c), in the passive/indirect cooling approach for the preform (A), or active/direct only for the construction platform (M) and/or substrate (N), the temperature of interpass, and thus heat accumulation in the preform (A) can be reduced indirectly by direct contact of the liquid cooling fluid (B) with the build platform (M) and/or substrate (N). The liquid cooling fluid (B) draws heat indirectly from the preform (A) as it directly cools the build platform (M) and/or substrate (N) below. Thus, it can be said that the heat flow below the deposition region also assumes a two-dimensional and unbalanced regime (more in the vertical direction than in the horizontal) in the preform (A), as in the conventional (natural) cooling approach, but slowed down. , inducing still orthotropic cooling (different depending on the direction), but with less imbalance between directions (typically vertical and horizontal) of growth. In this way, even if more restricted to deposition passes and layers closer to the construction platform (M) and/or substrate (N) or to preforms of limited height, it favors the reduction of imbalances in mechanical properties resulting as a function of the direction of their growth. As the level of liquid cooling fluid (B) in this approach does not rise with the level of energy input and material deposition, the effects of passive/indirect cooling are restricted to low-height preforms or deposition passes and initial layers .

ExemploExample

[040]. Para fins de demonstração da presente invenção, são apresentados resultados da utilização de resfriamento ativo/direto, contínuo e rápido de preformas utilizando água em temperatura ambiente como fluido de resfriamento. Utilizou-se inundação gradativa da cuba de construção e sem circulação externa de fluido, mas com o mesmo sempre em nível apenas 15 mm abaixo do nível de aporte de energia e de deposição de material durante todo o período de construção. Preformas com resfriamento convencional (natural), apenas com troca de calor com o meio externo, e com resfriamento passivo/indireto, pelo resfriamento com água em contato apenas com a plataforma de construção, são tomadas como parâmetro de comparação. Todas as preformas construídas constituem-se de paredes de cerca de 250 mm de comprimento com 28 camadas (de passe único de deposição cada) planas empilhadas em sequência do tipo vai e vem (inversão em zigue-zague do sentido da trajetória de deposição a cada camada) e sem paradas entre a execução das camadas (tempo de interpasse igual a zero). Como processo de deposição foi utilizado o MIG/MAG CMT (arco elétrico com transferência de metal por curto- circuito controlado) integrado a um robô industrial de seis eixos, com velocidade de deslocamento da tocha de 60 cm/min, tendo como material de adição arame Al 5356 de 1 mm de diâmetro alimentado a 8,2 m/min, distância bico de contato peça de 12 mm, gás de proteção argônio a 15 L/min, com potência média da fonte de calor (arco elétrico) de 765 W (corrente média de deposição de 90 A e tensão média de arco de 8,5 V). O substrato utilizado em todos os casos foi Al Al5052 com 300, 40 e 3 mm de comprimento, largura e espessura, respectivamente. Sob o mesmo aporte de energia e taxa de deposição de material fundido, as preformas construídas com as três abordagens de gerenciamento térmico foram avaliadas em termos de imagem termográfica e ciclo térmico (obtidos por meio de câmera infravermelha) e geometria (altura e largura máximas medidas com paquímetro e imagem de secção transversal).[040]. For the purposes of demonstrating the present invention, results are presented from the use of active/direct, continuous and rapid cooling of preforms using water at room temperature as the cooling fluid. Gradual flooding of the construction tank was used without external circulation of fluid, but always at a level just 15 mm below the level of energy input and material deposition throughout the entire construction period. Preforms with conventional (natural) cooling, with only heat exchange with the external environment, and with passive/indirect cooling, by cooling with water in contact only with the construction platform, are taken as a comparison parameter. All preforms constructed consist of walls of approximately 250 mm in length with 28 layers (each with a single deposition pass) stacked in a back-and-forth sequence (zigzag inversion of the direction of the deposition path at each layer) and without stops between the execution of layers (interpass time equal to zero). As a deposition process, the MIG/MAG CMT (electric arc with metal transfer by controlled short circuit) was used, integrated into a six-axis industrial robot, with a torch displacement speed of 60 cm/min, with the addition material being Al 5356 wire with a diameter of 1 mm fed at 8.2 m/min, contact tip distance of 12 mm, argon shielding gas at 15 L/min, with an average power of the heat source (electric arc) of 765 W (average deposition current of 90 A and average arc voltage of 8.5 V). The substrate used in all cases was Al5052 with 300, 40 and 3 mm in length, width and thickness, respectively. Under the same energy input and melt deposition rate, the preforms constructed with the three thermal management approaches were evaluated in terms of thermographic image and thermal cycle (obtained using an infrared camera) and geometry (maximum height and width measured with caliper and cross-section image).

[041]. A Figura 3 mostra imagens termográficas obtidas das preformas ao final da construção (logo após a extinção do arco elétrico) para as três abordagens de resfriamento avaliadas. Na Figura 3(a) nota-se nitidamente, mesmo que em termos qualitativos, que a preforma construída com resfriamento ativo/direto está com menores níveis de temperatura em quase toda sua extensão, inclusive com a maior parte em temperatura ambiente. Apenas a região próxima ao ponto final de incidência do arco elétrico está mais quente. Isso revela que a subida contínua do nível de água, acompanhando de perto o nível de aporte de energia e de deposição de material durante todo o período de construção, reduz drasticamente o acúmulo de calor na preforma, mesmo sem paradas de espera entre os sucessivos passes de deposição (camadas). Já as preformas construídas com resfriamento convencional (natural), como mostra a Figura 3(b), ou passivo/indireto, como mostra a Figura 3(c), exibiram níveis de temperatura elevados em toda extensão. Ou seja, decorrido o tempo de construção, em ambos estes casos houve grande acúmulo de calor.[041]. Figure 3 shows thermographic images obtained from the preforms at the end of construction (soon after the extinction of the electric arc) for the three cooling approaches evaluated. In Figure 3(a) it is clearly noted, even in qualitative terms, that the preform built with active/direct cooling has lower temperature levels throughout almost its entire length, including most of it at room temperature. Only the region close to the final point of incidence of the electric arc is hotter. This reveals that the continuous rise in the water level, closely following the level of energy input and material deposition throughout the construction period, drastically reduces the accumulation of heat in the preform, even without waiting stops between successive passes. deposition (layers). Preforms built with conventional (natural) cooling, as shown in Figure 3(b), or passive/indirect cooling, as shown in Figure 3(c), exhibited high temperature levels throughout. In other words, after construction time, in both cases there was a large accumulation of heat.

[042]. Em termos quantitativos, a Figura 4 apresenta os resultados de ciclo térmico da região central do comprimento da vigésima terceira camada até o fim da construção das preformas, ou seja, durante a execução dos cinco últimos passes de deposição (camadas), com as diferentes abordagens de resfriamento. Percebe-se claramente que a preforma construída com resfriamento ativo/direto tem temperaturas de interpasse (níveis mais baixos do ciclo) menores (próximas do nível ambiente) e praticamente inalteradas até o final da construção e que as taxas de resfriamento (dos níveis de pico para os níveis mais baixos de temperatura) são significativamente mais intensas. A preforma construída com abordagem de resfriamento convencional (natural) exibe temperaturas de interpasse sucessivamente crescentes e taxas de resfriamento continuamente decrescentes até o final da construção, em clara correspondência ao maior acúmulo de calor ocorrido. A preforma construída com abordagem de resfriamento passivo/indireto resultou em ciclos térmicos de dinâmica intermediária. A maior taxa de resfriamento obtida com a abordagem ativa/direta, mais facilmente comparável depois do último passe de deposição (camada), ilustra o potencial de aumento da velocidade de construção da preforma (ganho de produtividade) pela não necessidade de tempo de espera de resfriamento entre passes (camadas) e/ou por permitir maiores taxas de deposição de material, geralmente atreladas a maiores aportes de energia. Estes resultados de análise térmica comprovam a eficácia da presente invenção para evitar o acúmulo de calor na preforma independentemente da altura de construção.[042]. In quantitative terms, Figure 4 presents the thermal cycle results from the central region of the length of the twenty-third layer until the end of the preform construction, that is, during the execution of the last five deposition passes (layers), with the different approaches of cooling. It can be clearly seen that the preform built with active/direct cooling has lower interpass temperatures (lower levels of the cycle) (close to the ambient level) and practically unchanged until the end of construction and that the cooling rates (from peak levels for lower temperature levels) are significantly more intense. The preform built with a conventional (natural) cooling approach exhibits successively increasing interpass temperatures and continuously decreasing cooling rates until the end of construction, in clear correspondence to the greater heat accumulation occurring. The preform built with a passive/indirect cooling approach resulted in thermal cycles of intermediate dynamics. The higher cooling rate obtained with the active/direct approach, more easily comparable after the last deposition pass (layer), illustrates the potential for increasing the preform construction speed (productivity gain) due to the non-need for waiting time. cooling between passes (layers) and/or by allowing higher rates of material deposition, generally linked to greater energy inputs. These thermal analysis results prove the effectiveness of the present invention to prevent heat accumulation in the preform regardless of the construction height.

[043]. Como graficamente apresentado na Figura 5, em termos de geometria, a preforma construída com resfriamento ativo/direto ficou consideravelmente mais alta e mais estreita em relação à preforma obtida com resfriamento convencional (natural), ficando a preforma obtida com resfriamento passivo/indireto com aspecto intermediário. Estes resultados podem ser relacionados às menores e constantes temperaturas de interpasse obtidas com o resfriamento ativo/direto, que resultam em menor e controlada molhabilidade (espalhamento de material fundido) entre os passes de deposição e, assim, em camadas mais altas e estreitas e regulares. Percebe-se também que ocorre menor variação de altura e largura ao longo do comprimento da preforma construída com resfriamento ativo/direto. Mesmo nas extremidades, com a inversão do sentido de deposição e imediata repassagem da fonte de calor e de deposição de material fundido, o gerenciamento térmico de acordo com a presente invenção é capaz de minimizar o acúmulo de calor. Essa maior constância de forma resulta em menor necessidade de usinagem de desbaste fino da preforma para chegar a valores de altura e largura com uniformidade de geometria na eventual peça.[043]. As graphically presented in Figure 5, in terms of geometry, the preform constructed with active/direct cooling was considerably taller and narrower in relation to the preform obtained with conventional (natural) cooling, with the preform obtained with passive/indirect cooling having the appearance intermediary. These results can be related to the lower and constant interpass temperatures obtained with active/direct cooling, which result in lower and controlled wettability (spreading of melted material) between the deposition passes and, thus, in higher, narrower and more regular layers. . It is also noticed that there is less variation in height and width along the length of the preform built with active/direct cooling. Even at the ends, with the reversal of the deposition direction and immediate rerouting of the heat source and molten material deposition, thermal management according to the present invention is capable of minimizing heat accumulation. This greater shape constancy results in less need for fine grinding of the preform to reach height and width values with uniform geometry in the eventual part.

[044]. Pelas secções transversais centrais das preformas construídas com as diferentes abordagens de resfriamento, mostradas na Figura 6, percebe-se, além da maior altura e da menor largura, a melhor regularidade de forma camada a camada obtida com o resfriamento ativo/direto. Este resultado é explicado pela menor poça de fusão obtida, que se mantem por todos os passes de deposição de material (camadas), pela redução e constante controle do acúmulo de calor. Já para as outras duas abordagens de resfriamento, ainda mais notadamente para o caso convencional (natural), as preformas tem a largura gradativamente aumentada, e por consequência altura final menor, mesmo sem modificações no aporte de energia e na taxa de deposição de material fundido, devido à constante elevação das temperaturas de interpasse e então acúmulo de calor. A combinação de regularidade de largura camada a camada e de uniformidade de altura das preformas construídas é essencial em manufatura aditiva, pois maximiza o volume efetivo, ou seja, aquele que é depositado e que pode ser utilizado para a geometria final da peça, minimizando então desperdícios de matéria-prima na etapa seguinte de usinagem de desbaste fino e/ou acabamento.[044]. From the central cross-sections of the preforms built with the different cooling approaches, shown in Figure 6, one can see, in addition to the greater height and smaller width, the better layer-to-layer form regularity obtained with active/direct cooling. This result is explained by the smaller melting pool obtained, which is maintained throughout all material deposition passes (layers), by the reduction and constant control of heat accumulation. For the other two cooling approaches, even more notably for the conventional (natural) case, the preforms have a gradually increased width, and consequently a smaller final height, even without changes in the energy input and melt deposition rate. , due to the constant increase in interpass temperatures and then heat accumulation. The combination of layer-to-layer width regularity and height uniformity of the constructed preforms is essential in additive manufacturing, as it maximizes the effective volume, that is, that which is deposited and can be used for the final geometry of the part, thus minimizing raw material waste in the next stage of fine roughing and/or finishing machining.

Claims (20)

1. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO ATIVO PARA MANUFATURA ADITIVA, caracterizado por empregar a quase-imersão contínua e controlada de preformas (A) metálicas em um fluido líquido de resfriamento (B) por todo o período de construção dentro de uma cuba (C).1. ACTIVE COOLING TECHNIQUE FOR ADDITIVE MANUFACTURING, characterized by employing the continuous and controlled quasi-immersion of metallic preforms (A) in a liquid cooling fluid (B) throughout the construction period inside a vat (C). 2. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por utilizar água como fluido líquido de resfriamento (B), mas não excluindo a utilização de outros líquidos puros ou em conjunto com água, como adição de etileno glicol, para aumentar o intervalo de temperatura de estado líquido do fluido e/ou aumentar a taxa de resfriamento de preformas (A), e/ou óleo, para sobrenadar o fluido como maneira de minimizar sua taxa de evaporação e contaminação da preforma por hidrogênio.2. COOLING TECHNIQUE according to claim 1, characterized by using water as liquid cooling fluid (B), but not excluding the use of other pure liquids or in conjunction with water, such as the addition of ethylene glycol, to increase the interval of liquid state temperature of the fluid and/or increase the cooling rate of preforms (A), and/or oil, to supernate the fluid as a way to minimize its evaporation rate and contamination of the preform by hydrogen. 3. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por controlar a taxa de resfriamento e a temperatura de interpasse e, assim, o acúmulo de calor em preformas (A), pela seleção da distância de separação (H) entre a lâmina do fluido líquido de resfriamento (B) e o nível de aporte de energia e de deposição de material fundido.3. COOLING TECHNIQUE according to claim 2, characterized by controlling the cooling rate and the interpass temperature and, thus, the accumulation of heat in preforms (A), by selecting the separation distance (H) between the blade of liquid cooling fluid (B) and the level of energy input and melt deposition. 4. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por capturar no fluido líquido de resfriamento (B) grande parte das emissões tóxicas (vapores e fumos metálicos) e dos respingos que emanam da fusão-deposição de material durante a construção de preformas (A), controlando, respectivamente, a poluição do ambiente de trabalho e a adesão de respingos nas mesmas.4. COOLING TECHNIQUE according to claim 2, characterized by capturing in the liquid cooling fluid (B) a large part of the toxic emissions (vapors and metallic fumes) and spatter that emanate from the melting-deposition of material during the construction of preforms (A), controlling, respectively, the pollution of the work environment and the adhesion of splashes therein. 5. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por manter o nível do fluido líquido de resfriamento (B) automaticamente a uma dada distância prefixada do nível de aporte de energia e de deposição de material fundido por meio de um controle de vazão acionado pela subida da tocha (G) (fonte de energia e de deposição) ou pela temperatura da preforma (A) ao longo do tempo de construção.5. COOLING TECHNIQUE according to claim 3, characterized by automatically maintaining the level of the liquid cooling fluid (B) at a given pre-fixed distance from the level of energy input and melt deposition by means of a flow control driven by the rise of the torch (G) (source of energy and deposition) or by the temperature of the preform (A) throughout the construction time. 6. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por controlar a temperatura do fluido líquido de resfriamento (B) por meio de vazão e de temperatura impostas por um sistema de bombeamento, filtragem e arrefecimento externo (I).6. COOLING TECHNIQUE according to claim 5, characterized by controlling the temperature of the liquid cooling fluid (B) through flow and temperature imposed by a pumping, filtering and external cooling system (I). 7. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por controlar a temperatura do fluido líquido de resfriamento (B) em função da temperatura medida nas preformas (A) por meio de um medidor de temperatura (J).7. COOLING TECHNIQUE according to claim 6, characterized by controlling the temperature of the liquid cooling fluid (B) as a function of the temperature measured in the preforms (A) by means of a temperature meter (J). 8. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por controlar a produtividade de construção de preformas (A) por permitir redução ou eliminação do tempo de espera entre passes de deposição (camadas).8. COOLING TECHNIQUE according to any of the previous claims, characterized by controlling the productivity of preform construction (A) by allowing reduction or elimination of waiting time between deposition passes (layers). 9. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por controlar a produtividade de construção de preformas (A) por permitir operação com maior aporte de energia e maior taxa de fusão-deposição de material (L).9. COOLING TECHNIQUE according to any of the previous claims, characterized by controlling the productivity of preform construction (A) by allowing operation with greater energy input and higher material melting-deposition rate (L). 10. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por controlar o tamanho da poça de fusão em preformas (A) e, assim, o escorrimento de metal fundido depositado e as emissões tóxicas no ambiente de trabalho.10. COOLING TECHNIQUE according to any of the previous claims, characterized by controlling the size of the molten pool in preforms (A) and, thus, the flow of deposited molten metal and toxic emissions into the working environment. 11. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por controlar a regularidade geométrica de preformas (A).11. COOLING TECHNIQUE according to claim 10, characterized by controlling the geometric regularity of preforms (A). 12. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por controlar o volume efetivo de material depositado e, assim, minimizar a quantidade de usinagem requerida para transformar preformas (A) em peças.12. COOLING TECHNIQUE, according to claim 11, characterized by controlling the effective volume of deposited material and, thus, minimizing the amount of machining required to transform preforms (A) into parts. 13. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por controlar e equilibrar as taxas de resfriamento de depósitos e camadas e, assim, de preformas (A), em todas as direções de construção.13. COOLING TECHNIQUE according to any one of the previous claims, characterized by controlling and balancing the cooling rates of deposits and layers and, thus, of preforms (A), in all construction directions. 14. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por controlar a microestrutura e o tamanho de grão de preformas (A).14. COOLING TECHNIQUE according to claim 13, characterized by controlling the microstructure and grain size of preforms (A). 15. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por controlar as propriedades mecânicas de preformas (A).15. COOLING TECHNIQUE according to claim 14, characterized by controlling the mechanical properties of preforms (A). 16. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por controlar a oxidação de camadas depositadas e, assim, de preformas (A).16. COOLING TECHNIQUE according to any one of the previous claims, characterized by controlling the oxidation of deposited layers and, thus, of preforms (A). 17. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por controlar as distorções em preformas (A).17. COOLING TECHNIQUE according to any one of the previous claims, characterized by controlling distortions in preforms (A). 18. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por controlar as tensões residuais em preformas (A).18. COOLING TECHNIQUE according to any one of the previous claims, characterized by controlling residual stresses in preforms (A). 19. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por não induzir porosidade em preformas (A).19. COOLING TECHNIQUE according to any of the previous claims, characterized by not inducing porosity in preforms (A). 20. TÉCNICA DE RESFRIAMENTO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por poder ser aplicada com processos de deposição com energia direcionada com fusão-deposição de material a arco elétrico com metal de adição na forma de arame e/ou pó pelos processos MIG/MAG, Arame Tubular, TIG e Plasma, em todas as suas variantes e técnicas, mas não exclui a aplicação para outras fontes de energia, como, por exemplo, na manufatura aditiva por fusão-deposição de material a LASER com adição de metal na forma de arame e/ou pó.20. COOLING TECHNIQUE, according to any of the previous claims, characterized in that it can be applied with directed energy deposition processes with fusion-deposition of electric arc material with filler metal in the form of wire and/or powder by the processes MIG/MAG, Tubular Wire, TIG and Plasma, in all their variants and techniques, but does not exclude the application to other energy sources, such as, for example, in additive manufacturing by fusion-deposition of LASER material with addition of metal in the form of wire and/or powder.
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